電子元件焊點檢測技術(shù)

胥路平

（中國工程物理研究院電子工程研究所 四川綿陽 621900）

0 引言

電子技術(shù)的飛速發(fā)展，時至今日，絕大多數(shù)的電子產(chǎn)品采用了印制電路板作為實現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)。在印制電路板中，作為電子元件與電路板之間銜接橋梁的焊點，起著元件與基板的機械固定作用以及電氣連接、電信號傳遞作用，具有重要的地位。

傳統(tǒng)的手工焊接方式常常導(dǎo)致焊點一致性較差，焊接缺陷難以避免；然而，就算是電子裝配行業(yè)進入了表面組裝時代，因為其裝配過程需要通過錫膏印刷、元件貼片和再流焊接的程序，而這些程序也較難于精細控制，也會導(dǎo)致發(fā)生較多的焊接缺陷。如果這些焊接缺陷不能被及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)，將對電子產(chǎn)品的可靠運行產(chǎn)生極大的影響。作為保障焊點質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，焊點檢測對電子產(chǎn)品的成敗起著舉足輕重的作用。本文對電子元件焊點檢測技術(shù)進行研究，分析各種檢測技術(shù)的優(yōu)點與不足，探討未來焊點檢測技術(shù)的發(fā)展方向。

1 傳統(tǒng)檢測方法

焊點的傳統(tǒng)檢測主要采用目視檢測和電氣檢測的方法。目視檢測在插裝元件的焊點檢測中被廣泛應(yīng)用，同時在表貼元件的焊點檢測中也有應(yīng)用。目視檢測通常由檢測人員利用十倍放大鏡進行檢測，檢測速度和精度與人的素質(zhì)、能力密切相關(guān)。目視檢測無法有效地發(fā)現(xiàn)焊點缺陷，尤其是對表貼元件而言。電氣檢測是將電子產(chǎn)品通電，以檢測是否達到要求。該方法能有效地查出目視檢測所不能發(fā)現(xiàn)的微小缺陷。檢測時可使用各種電氣測量儀，檢測導(dǎo)通不良及在焊接過程中引起的元件損壞。前者是由微小裂紋、極細絲的錫蝕和松香粘附等引起，后者是由于過熱使元器件失效或助焊劑分解氣體引起元器件的腐蝕和變質(zhì)等。然而由于電氣檢測為離線檢測，不能做到及時地將信息反饋。

隨著印制電路板的集成度越來越高，更多的小型、微型表貼元件在電子產(chǎn)品中得以應(yīng)用。僅僅依靠目視檢測和電氣檢測方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)今的要求，而現(xiàn)代焊點檢測技術(shù)成為保障電子產(chǎn)品質(zhì)量的必要手段。

2 現(xiàn)代檢測技術(shù)

隨著表面組裝的廣泛應(yīng)用，以圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代焊點檢測技術(shù)得以迅速普及。其中，應(yīng)用最為廣泛的是自動光學(xué)檢測技術(shù)和X射線檢測技術(shù)。它們可在裝配過程中進行檢測，相比于傳統(tǒng)檢測方法有如下的優(yōu)點：

檢測操作無限可重復(fù)性，能夠?qū)崿F(xiàn)100%給定條件的檢測。并且機器工作過程不會產(chǎn)生疲勞，具有人工檢測所不具有的重復(fù)性和一致性；不僅能夠檢測人工目測檢測不出來的缺陷，還可以提高工作效率，節(jié)省生產(chǎn)成本；可提供量化的缺陷信息，供生產(chǎn)者分析與使用。

2.1 自動光學(xué)檢測

自動光學(xué)檢測由于非接觸、無損、快速、準確而在表貼生產(chǎn)線上得到越來越廣泛的應(yīng)用。自動光學(xué)檢測技術(shù)主要是基于光學(xué)原理與控制原理，以計算機圖像處理技術(shù)為核心，應(yīng)用必要的計算機軟件來實現(xiàn)圖像分析，從而進行非接觸式自動檢測的一種新興技術(shù)。自動光學(xué)檢測技術(shù)因其在提高檢測精度、增強檢測性能、編程操作簡單、缺陷覆蓋率高、生產(chǎn)檢測成本低等方面的特殊優(yōu)越性，克服了傳統(tǒng)檢測方法的缺點與不足，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在表面組裝檢測領(lǐng)域。自動光學(xué)檢測技術(shù)可以精確完成元器件的焊點缺陷檢測，使產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率得到相應(yīng)的提高，解決了傳統(tǒng)檢測手段所不能解決的問題。自動光學(xué)檢測技術(shù)是將元器件或其相應(yīng)特征的圖像，通過軟件進行必要的處理，通過己知先驗知識，分析焊點質(zhì)量等問題，給出檢測結(jié)果。自動光學(xué)檢測的基本工作工程可以描述為：通過CCD獲得印制電路板的數(shù)字圖像，然后提取圖像中可以區(qū)分各類焊點缺陷的特征，最后通過這些特征對焊點的質(zhì)量進行檢測。自動光學(xué)檢測主要涉及的技術(shù)環(huán)節(jié)包括：光源、光學(xué)鏡頭及CCD成像、數(shù)字圖像處理、模式識別算法、精密機械移動。其中模式識別算法、光源和數(shù)字圖像處理是主要技術(shù)難點。

2.2 自動X射線檢測

對于不同密度和不同厚度的物質(zhì)，X射線具有不同的穿透效果。人們利用這一點特性檢測電子元件的焊接效果。X射線檢測與傳統(tǒng)的檢測手段相比，是一種比較先進的檢測方法，能夠覆蓋各種焊接缺陷，其應(yīng)用前景廣闊。尤其是對BGA、CSP等焊點隱藏于本體下方的元件，傳統(tǒng)檢測手段已經(jīng)無能為力，而X射線檢測正好發(fā)揮作用。為適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，自動X射線檢測技術(shù)逐步得以應(yīng)用，它代表了X射線檢測的發(fā)展方向。自動X射線檢測的工作原理是用X射線照射印制電路板，生成對應(yīng)的X射線圖像，然后再根據(jù)圖像處理技術(shù)檢測焊點質(zhì)量。自動X射線檢測的核心組成部分是X光管和圖像分析系統(tǒng)。在面向表面組裝的X射線檢測設(shè)備中采用兩種X光管：閉管和開管，目前普遍采用的是微焦X光管，因為采用微焦點X光管可以獲得清晰的圖像，適于電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)缺陷分析與檢測。主流X射線檢測設(shè)備的圖像分析系統(tǒng)均采用成熟的商用圖像分析處理包，但它們?nèi)杂胁煌晟频牡胤剑瑘D像分析處理系統(tǒng)方面存在各種各樣的短處。

3 焊點檢測中的圖像處理技術(shù)

從上面的分析可以看出，無論是自動光學(xué)檢測還是自動X射線檢測，都非常依賴于圖像處理技術(shù)，它是實現(xiàn)電子元件焊點檢測的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)實際應(yīng)用情況，在焊點檢測中常用的圖像處理技術(shù)包括：圖像預(yù)處理、缺陷檢測等。

3.1 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理主要包括圖像平滑濾波去噪、圖像對比度增強、圖像二值化處理和圖像邊緣檢測等內(nèi)容。

檢測時，獲取元件或焊點圖像過程難免會因干擾而引入噪聲，所以在對圖像進一步處理之前必須進行圖像去噪。圖像去噪方法由噪聲自身特性決定，既可在空域也可在頻域采取相應(yīng)的濾波措施。由于頻域濾波計算量大，不適于實時檢測，而空域濾波直接在圖像空間對像素點作濾波處理，滿足實時檢測的要求。常用的空域濾波方法主要有：鄰域均值法、中值濾波法。這兩種算法容易實現(xiàn)，運算量小，得到了廣泛的應(yīng)用。它們有效地提高了圖像信噪比，改善了圖像質(zhì)量，其缺點是造成圖像邊緣模糊化，這不利于后續(xù)的圖像識別與檢測。為了解決圖像邊緣模糊化的問題，研究人員提出了灰度最小方差均值濾波和K近鄰中值濾波等方法。最小方差均值濾波去噪效果較好，但是運算量較大，而實驗證明K近鄰中值濾波是比較理想的圖像去噪方法。

圖像對比度增強的目的是強化圖像邊緣，突出圖像細節(jié)，使圖像更清晰。通常采用灰度值調(diào)整或?qū)D像顏色值進行索引的方法實現(xiàn)圖像的對比度增強。常用方法主要有分段線性變換增強、非線性變換增強以及直方圖均衡化增強等。

圖像二值化是將多灰度級的圖像變換為只含有黑白兩種顏色像素的圖像。元件識別、元件定位、焊點定位和焊點特征提取等都是建立在圖像二值化基礎(chǔ)之上，因此圖像二值化是圖像預(yù)處理中非常重要的環(huán)節(jié)。圖像二值化的流程是選取灰度閾值，比較各像素灰度與閾值的大小然后將其置為黑色或白色。根據(jù)閾值選擇的不同，可以將二值化算法大體分為全局閾值法、局部閾值法以及迭代閾值法。

圖像邊緣是圖像最基本的特征，是分析和理解圖像的基礎(chǔ)，是圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)。邊緣檢測保留了圖像中重要信息，減少了圖像處理信息量，滿足了特征提取的要求，可以作為圖像分割和特征提取的依據(jù)。邊緣檢測完成對圖像邊緣的精確定位并盡可能的抑制噪聲干擾。邊緣檢測主要通過微分方法來實現(xiàn)，目前常用的邊緣檢測算法主要有：Roberts、Sobel、Prewitt、Laplacian 等。

3.2 缺陷檢測

為適應(yīng)自動化生產(chǎn)對缺陷檢測的實時性要求，可采用圖像匹配技術(shù)來進行缺陷檢測。該方法的具體流程是：首先，創(chuàng)建印制電路板的模板圖像。模板圖像應(yīng)離線制作，在線檢測時可直接調(diào)用。模板圖像可以根據(jù)CAD數(shù)據(jù)合成，也可以通過人工交互操作原始圖像生成。然后將經(jīng)過圖像預(yù)處理的帶檢測圖像與模板圖像進行模板匹配。模板匹配的作用是將帶檢測圖像與模板圖像進行空間對準，使得二者的邊緣基本重合。最后，針對待檢測的焊點區(qū)域進行缺陷檢測。通常進行3類檢測：相似性檢測，平移檢測和旋轉(zhuǎn)檢測。相似性檢測是計算待檢測區(qū)域與模板圖像對應(yīng)區(qū)域的相似程度，相似性度量是相似性的度量指標，常用的相似性度量有平方差、歸一化相關(guān)等。平移檢測是計算目標對象位置相對于模板圖像上對應(yīng)對象位置的空間平移量。旋轉(zhuǎn)檢測是計算目標對象相對于模板圖像上對應(yīng)對象位置的空間旋轉(zhuǎn)量。針對印制電路板上不同的檢測區(qū)域應(yīng)分別設(shè)置上述3類檢測結(jié)果的閾值，如果計算結(jié)果超出閾值則判斷為缺陷。進行具體缺陷檢測時可將3類檢測內(nèi)容結(jié)合起來，并根據(jù)檢測結(jié)果綜合判斷缺陷類別。

4 結(jié)論

本文針對電子元件焊點檢測，分析了傳統(tǒng)檢測技術(shù)的不足。基于以表面組裝為代表的印制電路大規(guī)模自動化生產(chǎn)需求，介紹了自動光學(xué)檢測和自動X射線檢測，指出了它們的優(yōu)點和涵蓋的核心技術(shù)。針對基于圖像處理的焊點缺陷檢測技術(shù)，闡述了從圖像預(yù)處理到缺陷檢測的操作過程，并深入分析了其中的圖像處理技術(shù)。

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