CN109581200B - 基于红外热像测试数据确定虚焊焊点特征频带的方法 - Google Patents

Abstract

基于红外热像测试数据确定虚焊焊点特征频带的方法，包括步骤如下：1)获取虚焊焊点受热源激励的过余温度时间曲线；2)将温度下降段对应的过余温度时间时间曲线进行傅里叶变换，得到温度下降段对应的相位频率曲线；3)重复上述步骤获取多个同一类型、同一尺寸虚焊焊点的相位频率曲线；4)将获得虚焊焊点与标准焊点的相位差频率曲线；5)根据特征频带条件确定测试对象的特征频带，作为判断产品是否存在虚焊焊点的标准。本发明采用脉冲相位法进行分析，有效提取焊点热特性本征信息，通过平均相位差确定虚焊焊点的特征频带，具有抗干扰能力强、信号分析简单的优点，解决了现有虚焊焊点热像测试数据与正常焊点测试数据难以区分的难题。

Description

基于红外热像测试数据确定虚焊焊点特征频带的方法

技术领域

本发明涉及基于红外热像测试数据确定虚焊焊点特征频带的方法，属于虚焊焊点无损检测技术领域。

背景技术

焊点是电路板的一种典型组成单元，是航空、航天器电源结构中传递电信号，提供机械连接的结构单元。焊点的失效将导致器件乃至整个系统失效。随着焊点尺寸的越来越小，焊点成薄弱的连接环节，电子产品在机械震动冲击过程中，电路板与芯片之间的细小焊点连接是最容易发生破坏的部位，电子产品在运送和服役过程中不可避免的受到温度循环、振动、冲击等因素的作用而导致产品失效。

在航天器及军用装备电子产品生产以及贮存过程中，高密度PCB板由于贴装过程各种环境因素以及加工误差的影响，可能导致板载元器件焊盘表面锈蚀、氧化、污染等虚焊类贴装缺陷，如果在生产工序的最后环节进行检测发现电路板缺陷，将付出十分巨大的代价，甚至会导致整块贴装板甚至是整个电子产品的报废。目前国内外各种检测技术各有利弊，互为补充，但仍不能保证100％检测出焊点的缺陷。例如一些冷焊、局部润湿不良、油污氧化、孔洞、夹杂等焊点，其外观正常，又有电气连接，焊点虚焊问题一直是是现今电子产品检测的世界性难题。目前，国内外对于虚焊类的检测研究主要是基于红外热像检测技术。迄今，国内外的红外测试研究主要依靠过余温度进行虚焊类缺陷辨识。但虚焊类缺陷对应的过余温度信号与正常焊点差别较小，导致焊点虚焊缺陷本征热阻信号难以辨识；背景热辐射干扰较大，单纯放大或降倍的方法，可能会造成缺陷信息淹没或丢失，虚焊本征信号的提取难度大，提取效果及稳定性较差。哈尔滨工业大学ZL01140590.2号专利《检测电路板焊点可靠性的红外测温检测法》公开了一种对于外观正常的具有缺陷的焊点质量的检测方法。采用红外热像仪获取该待检测焊点的动态图像和该待检测焊点引线处的动态图像，得到待检测焊点和待检测焊点引线处的温度分布曲线；其次，将焊点的温度分布曲线和焊点引线处的温度分布曲线同比叠加在一起；最后，对叠加的结果进行判断：当两条温度分布曲线的分布趋势相同，且两条温度曲线上的最高温度点同步，判定该待检测焊点为合格焊点；否则为不合格焊点。但该方法主要存在以下问题：

1)虚焊类缺陷对应焊点和引线处的过余温度信号差别较小，导致焊点虚焊缺陷两个部位的过余温度信号的差别难以辨识；

2)背景热辐射干扰较大，可能会造成焊点和引线处缺陷信息淹没或丢失，虚焊本征信号的提取难度大，提取效果及稳定性较差；

3)该方法对由于金属连接截面积变小的焊点缺陷有着较好的检测效果，但对于基底间隙性的虚焊缺陷检测效果不良。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了虚焊焊点红外热像测试数据脉冲相位分析方法，通过相位差确定虚焊焊点的特征频带解决了现有虚焊焊点热像测试数据与正常焊点测试数据难以区分的问题。

本发明的技术方案是：

基于红外热像测试数据确定虚焊焊点特征频带的方法，包括步骤如下：

1)选取虚焊焊点作为测试对象，使用脉冲热源激励测试对象；所述脉冲热源为激光器或氙灯，脉冲热源激励角度取值范围为45～60°，脉冲热源激励的时间取值范围为0.3～0.9s，脉冲热源激励形成的光斑大小小于焊点面积的80％，脉冲热源激励测试对象的表面升温速率取值范围为15～50℃/s，脉冲热源激励角度与测试对象的表面切向垂直。

2)采集测试对象表面在脉冲热源激励影响产生的温度变化，生成过余温度时间曲线；

3)提取步骤2)温度变化曲线中温度下降段对应的过余温度时间曲线；将温度下降段对应的过余温度时间曲线进行傅里叶变换，得到温度下降段对应的相位-频率曲线；

4)选取多个同一类型、同一尺寸的虚焊焊点作为测试对象，重复步骤1)-步骤3)，获得多条温度下降段对应的相位-频率曲线；

5)将步骤4)获得的多条温度下降段对应的相位-频率曲线分别与标准焊点的相位-频率曲线进行比对，获得多条相位差-频率曲线；

6)根据特征频带条件和步骤5)获得的多条相位差-频率曲线，确定测试对象的特征频带，作为用于判断产品是否存在与所述测试对象类型相同、尺寸相同虚焊焊点的标准。确定步骤4)获得的多条温度下降段对应的相位-频率曲线中在同一频带范围满足所述特征频带条件的曲线条数；若曲线条数大于相位差-频率曲线总条数的70％，则确定该频带范围为虚焊焊点的特征频带；若小于或等于相位差-频率曲线总条数的70％，则该频带范围不是虚焊焊点的特征频带。其中，特征频带条件具体为：频带范围的宽度取值范围为1～5Hz，频带范围内的平均相位差大于0.02rad，且相位差波动性小于0.03rad。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明方法对焊点虚焊热像测试数据进行处理，处理后的数据虚汗焊点和标准焊点对比度高，降低了加热不均和外界热流造成的背景噪声；

2)本发明利用脉冲相位法通过傅里叶变换对不同频率下被测样品的频谱响应进行分析，具有抗干扰能力强、信号分析简单的优点。通过有无虚焊缺陷区域在某频率下的相位差的对比能够有效识别虚焊缺陷；

3)本发明方法用脉冲相位代替过余温度热图，对表面不均不敏感，对随机噪声具有较好的信噪比，能够提升缺陷对比度，对较小的缺陷分辨率提升明显；

4)本发明通过相位差确定虚焊焊点的特征频带，对材料热导率要求不高；

5)本发明利用离散傅立叶变换算法运算速度快，能够快速获得位相信息随时间变化趋势，可以快速、准确获取缺陷特征参量。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为实施例过余温度时间曲线图；

图3为实施例相位差频率曲线图。

具体实施方式

本发明解决了现有虚焊焊点热像测试数据与正常焊点测试数据难以区分的难题，采用新型焊点热像数据处理方法，有效提取焊点热特性本征信息，通过对比虚焊缺陷与正常焊点之间的相位参量变化进行虚焊缺陷辨识，解决了虚焊本征热阻信号甄别及背景信号干扰强的难题。使用该数据处理方法能够可靠的反映焊点虚焊缺陷特征。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明基于红外热像测试数据确定虚焊焊点特征频带的方法包括步骤如下：

1)选取虚焊焊点作为测试对象，使用脉冲热源激励测试对象；所述脉冲热源为激光器、氙灯，或其它聚光热源。脉冲热源激励角度取值范围为45～60°，脉冲热源激励的时间取值范围为0.3～0.9s，脉冲热源激励形成的光斑大小小于焊点面积的80％，脉冲热源激励测试对象的表面升温速率取值范围为15～50℃/s，脉冲热源激励角度与测试对象的表面切向垂直。

2)采集测试对象表面在脉冲热源激励影响产生的温度变化，生成过余温度时间曲线；

3)提取步骤2)过余温度时间曲线中温度下降段对应的过余温度时间曲线；将温度下降段对应的过余温度时间曲线进行傅里叶变换，得到温度下降段对应的相位-频率曲线；

4)选取多个同一类型、同一尺寸的虚焊焊点作为测试对象，重复步骤1)-步骤3)，获得多条温度下降段对应的相位-频率曲线；

5)将步骤4)获得的多条温度下降段对应的相位-频率曲线分别与标准焊点的相位-频率曲线进行比对，获得多条相位差-频率曲线；

6)根据特征频带条件和步骤5)获得的多条相位差-频率曲线，确定测试对象的特征频带，作为用于判断产品是否存在与所述测试对象类型相同、尺寸相同虚焊焊点的标准。确定步骤4)获得的多条温度下降段对应的相位-频率曲线中在同一频带范围满足所述特征频带条件的曲线条数；若曲线条数大于相位差-频率曲线总条数的70％，则确定该频带范围为虚焊焊点的特征频带；若小于或等于相位差-频率曲线总条数的70％，则该频带范围不是虚焊焊点的特征频带。其中，特征频带条件具体为：频带范围的宽度取值范围为1～5Hz，频带范围内的平均相位差大于0.02rad，且相位差波动性小于0.03rad。

实施例

本发明采用脉冲相位替代过余温度进行虚焊缺陷辨识，首先通过红外热像采集温度时间序列，将时间序列的SEQ格式转化为DAT格式之后，采用脉冲相位进行数据处理。操作步骤如下：具体技术方案为：1)采用红外热像设备采集热激励下被测焊点表面温度时间序列热图像；2)将温度时间图像序列进行格式转化为DAT；3)选取焊点上一点的时间温度变化曲线；4)将焊点热图像中每一像素的时间序列变化矢量做傅立叶变换，获得一定频率下的相位，建立相位频率曲线；5)对比有无虚焊缺陷相位差值，判定有无虚焊缺陷。所述热源为透镜聚焦后的面积型激光热源。

本发明的试验测试载体为一种内置标准虚焊焊点缺陷的电路板焊点，每张电路板上焊点数量为48，焊点形式为1210，焊点大小为2mm×0.8mm，共计5张电路板。

步骤1：采用红外热像设备采集热激励下被测焊点表面温度时间序列热图像，激励源采用808nm聚焦激光，激光光斑大小为1.5mm×0.5mm。

步骤2：采用格式转化软件将温度时间图像序列的SEQ格式转化为DAT格式。

步骤3：选取焊点上一点，提取此点的过余温度时间曲线，如图2所示。

步骤4：数据处理，将温度下降段的过余温度时间曲线通过傅里叶变换得到相位-频率曲线；

步骤5：重复步骤1至步骤4，获得五张电路板上的全部1210型虚焊焊点的相位-频率曲线；

步骤6：将步骤5获得的多条相位-频率曲线与标准焊点的相位-频率曲线比对，获得相位差-频率曲线，如图3所示；

步骤7：确定虚焊焊点的特征频带。

表1测试结果

焊点缺陷程度	20％	40％	60％
				敏感频率/频带	11-13Hz	11-13Hz	11-13Hz
平均相位差	0.0315rad	0.0549rad	0.0608rad

测试结果如表1所示，步骤5)获得的相位差-频率曲线中有82％的曲线在11～13Hz的频带间满足特征频带条件，如图3所示，从脉冲相位处理结果图看出采用相同激励条件下，不同虚焊程度的焊点的相位差曲线规律性都比较一致，幅值差别较大，焊点虚焊的敏感频带在11～13Hz频带之内，三条曲线的平均相位差值分别为0.0315rad，0.0549rad，0.0608rad，且相位差波动性小于0.03rad。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.基于红外热像测试数据确定虚焊焊点特征频带的方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)选取虚焊焊点作为测试对象，使用脉冲热源激励测试对象；

2)采集测试对象表面在脉冲热源激励影响产生的温度变化，生成过余温度时间曲线；

3)提取步骤2)温度变化曲线中温度下降段对应的过余温度时间曲线；将温度下降段对应的过余温度时间曲线进行傅里叶变换，得到温度下降段对应的相位-频率曲线；

4)选取多个同一类型、同一尺寸的虚焊焊点作为测试对象，重复步骤1)-步骤3)，获得多条温度下降段对应的相位-频率曲线；

5)将步骤4)获得的多条温度下降段对应的相位-频率曲线分别与标准焊点的相位-频率曲线进行比对，获得多条相位差-频率曲线；

6)根据特征频带条件和步骤5)获得的多条相位差-频率曲线，确定测试对象的特征频带，作为用于判断产品是否存在与所述测试对象类型相同、尺寸相同虚焊焊点的标准；

步骤6)所述特征频带条件具体为：频带范围的宽度取值范围为1～5Hz，频带范围内的平均相位差大于0.02rad，且相位差波动性小于0.03rad；

所述根据特征频带条件和步骤5)获得的多条相位差-频率曲线，确定特征频带的方法，具体为：

确定步骤4)获得的多条温度下降段对应的相位-频率曲线中在同一频带范围满足所述特征频带条件的曲线条数；

若曲线条数大于相位差-频率曲线总条数的70％，则确定该频带范围为虚焊焊点的特征频带；若小于或等于相位差-频率曲线总条数的70％，则该频带范围不是虚焊焊点的特征频带。

2.根据权利要求1所述的基于红外热像测试数据确定虚焊焊点特征频带的方法，其特征在于，所述脉冲热源为激光器或氙灯。

3.根据权利要求1所述的基于红外热像测试数据确定虚焊焊点特征频带的方法，其特征在于，所述脉冲热源激励的时间取值范围为0.3～0.9s，脉冲热源激励形成的光斑大小小于焊点面积的80％，脉冲热源激励测试对象的表面升温速率取值范围为15～50℃/s。

4.根据权利要求3所述的基于红外热像测试数据确定虚焊焊点特征频带的方法，其特征在于，所述脉冲热源激励角度取值范围为45～60°。

5.根据权利要求3所述的基于红外热像测试数据确定虚焊焊点特征频带的方法，其特征在于，所述脉冲热源激励角度与测试对象的表面切向垂直。

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