（精密仪器及机械专业论文）基于平板探测器的BGA缺陷检测技术(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中北大学学位论文 基于平板探测器的b g a 缺陷检测技术 摘要 b g a 器件的性能和组装优于常规的元器件，但是许多生产厂家仍然不愿意投资丌发 大批量生产b g a 器件的能力，究其原因主要是b g a 器件焊接点的测试相当困难，不容易 保证其质量和可靠性。为此，本文系统的研究了b g a 缺陷检测技术。主要研究内容包括： 1 针对b g a 射线图像对比度低、边缘模糊等特点，研究了基于熵算子边缘检测的 多级组合滤波算法和基于正弦隶属度函数的模糊增强算法。该算法可滤除图像中的干 扰，使图像清晰，而不破坏图像中的轮廓和边缘有用信息。 2 研究了基于边缘检测和基于区域的图像分割算法，根据b g a 缺陷的特点，在狄度 变换平缓的区域使用模糊c 均值聚类图像分割算法分割图像；在灰度变换剧烈的区域使 用基于边缘检测的图像分割算法分割图像。该算法突出了焊球内部的小缺陷，同时也避 免了区域的过分割。 3 研究了焊球特征值提取算法，总结了判别各种缺陷的方法，然后，根据b g a 缺 陷识别流程图对缺陷进行自动识别。 关键词：b g a 缺陷，模糊c 均值聚类，图像分割，自动谚 别 i 中北大学学位论文 t h et e c h n o l o g yo f t h ed e t e c t i o nf o rd e f e c t si n bg a p a c k a g eb a s e do nfl a tp a n e ld e t e c t o r a b s t r a c t t h ep e r f o r m a n c ea n da s s e m b l yo fb g a p a c k a g ei sb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a lc o m p o n e n t s ， b u tm a n ym a n u f a c t u r e r sa r es t i l lr e l u c t a n tt oi n v e s ti nt h ed e v e l o p m e n to fh i g h - v o l u m e p r o d u c t i o nc a p a c i t yo fb g ap a c k a g e m a i n l yb e c a u s ei ti sd i f f i c u l tt ot e s tt h eb g ap a c k a g e s o l d e rj o i n t sa n de n s u r ei t sq u a l i t ya n d r e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e r , t h et e c h n o l o g yo fb g a d e f e c t d e t e c t i o ni ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 w es t u d i e dt h ea l g o r i t h mo fm u l t i l e v e lc o m b i n e df i l t e rb a s e do nt h ee d g ed e t e c t i o no f e n t r o p yo p e r a t o ra n dt h ef u z z ye n h a n c e m e n ta l g o r i t h mb a s e do nt h es i n u s o i d a lm e m b e r s h i p f u n c t i o nf o rt h el o wc o n t r a s ta n df u z z ye d g eo fb g a r a yi m a g e s t h o s ea l g o r i t h m sc a nf i l t e r o u tt h ei n t e r f e r e n c eo f i m a g e ，c l e a rt h ep i c t u r e s ，w i t h o u tu n d e r m i n i n gt h eu s e f u li n f o r m a t i o n o fi m a g es u c ha sc o n t o u ra n d e d g e 2 t h es e g m e n t a t i o na l g o r i t h m sb a s e do ne d g ed e t e c t i o na n dr e g i o na r ed i s c u s s e d ，i n o r d e rt oe x t r a c td e f e c tf e a t u r e se f f e c t i v e l y w es e g m e n ti m a g e sw i t ht h et w oc o m b i n e d a l g o r i t h m st h a tt h ei m a g es e g m e n t a t i o na l g o r i t h mo ff u z z yc - m e a n sc l u s t e r i n gi su s e di nt h e r e g i o no fg e n t l et h eg r a y s c a l et r a n s f o r m a t i o na n dt h ei m a g es e g m e n t a t i o na l g o r i t h mb a s e d o n e d g ed e t e c t i o ni s u s e di nt h ea r e ao fs e v e r eg r a y - s c a l et r a n s f o r m a t i o n t h i sa l g o r i t h m h i g h l i g h t st h es m a l ld e f e c t si nt h eb a l l ，a n da v o i d so v e r - s e g m e n t a t i o no ft h er e g i o n 3 s t u d i e dt h ea l g o r i t h mo ft h ee x t r a c t i o no fb a l le i g e n v a l u e ，s u m m e du pt h em e t h o dt o j u d g eav a r i e t yo fd e f e c t s ，t h e n ，i d e n t i f i e dt h ed e f e c t so fb g aa u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt o b g ad e f e c ti d e n t i f i c a t i o nf l o wc h a r t k e yw o r d s ：b g ad e f e c t s ，f u z z yc - m e a n sc l u s t e r i n g ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，a u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o n i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：毯塑峰整 日期：幽。：! 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件： 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：逊盈屿乏呈 日期：塑垄。! 坚 导师签名：起之! a日期：丝尊芏。fi 中北大学学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着微电子工业的快速发展，芯片的功能越来越强大，设计也越来越复杂，随之而 来的是电子器件的引脚数量在近3 0 年里的急剧增加。市场的需求是体积更小、性能更 稳定的电子产品，所以不可能、也不应该通过设计更大尺寸的：签片来解决这一问题；同 时过细的引脚、过小的引脚间距也无法保证电子产品的可靠性。焊接技术也有极限，当 引脚或引脚间距过小超过这一极限的时候，目前的焊接工艺就无法完成正常的焊接工作 了。传统的集成电路封装技术，引脚一般分布在封装外壳的两侧或四周，引脚和 p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，印刷电路板) 之间的焊点缺陷，可以采用人工目检的方式 或其它可视化的方式进行检测。近年来，由于对高密度表面组装器件的需求不断增加， b g a ( b a l lg r i da r r a y ) 封装方式被大量地应用在印刷电路板生产当中，它们使表面封装 的生产更容易完成。目i j 已在很多国际著名电子公司的产品中得到应用，如i b m 、s u n 、 富士通、t n t e g r a l 、松下、m o t o r o l a 、t w x a xi n s t r u m e n t s 等。 目前在电子组装领域中使用的检测技术种类繁多，常用的有人工目检( m a n u a l v i s u a li n s p e c t i o n ，简称m v i ) 、在线测试、自动光学测试( a u t o m a t i co p t i c a li n s p e c t i o n ， 简称a o i ) 、自动x 射线检测( a u t o m a t i cx r a yi n s p e c t i o n ，简称a x i ) 、功能测试 ( f u n c t i o n a lt e s t ，简称f t ) 等。这些检测方式都有各自的优点和不足之处。 人工目检是一种用肉眼检察的方法。其检测范围有限，只能检察器件漏装、方向极 性、型号正误、桥连以及部分虚焊。由于人工目检易受人的主客观因素的影响，具有很 高的不稳定性。在处理0 6 0 3 、0 4 0 2 和细间距芯片时，人工目检更加困难，特别是当b g a 器件大量采用时，对其焊接质量的检查，人工目检几乎无能为力。 飞针测试是一种机器检查方式。它是以两根探针对器件加电的方法来实现检测，能 够检测器件失效、元件性能不良等缺陷。这种测试方式对插装p c b 和采用0 8 0 5 以上尺 寸器件贴装的密度不高的p c b 比较适用。但是器件的小型化和产品的高密度化使这种 检测方式的不足表现明显。对于0 4 0 2 级的器件由于焊点的面积较小探针已无法准确连 接。特别是高密度的消费类电子产品如手机，探针会无法接触到焊点。此外其对采用并 中北大学学位论文 联电容，电阻等电连接方式的p c b 也不能准确测量。所以随着产品的高密度化和器件 的小型化，飞针测试在实际检测工作中的使用量也越来越少。 在线测试针床检测是一种广泛使用的测试技术。其优点是检测速度快，适合于单一 品种大批量的产品。但是随着产品品种的丰富和组装密度的提高以及新产品开发周期的 缩短，其局限性也越发明显。其缺点主要表现为以下几方面：需要专门设计检测点和检 测模具，制造周期长，价格贵，编程时间长：器件小型化带来的检测困难和检测不准确； p c b 进行设计更改后，原检测模具将无法使用。 自动光学检测( a o i ) 是近几年兴起一种检测方法。它是通过c c d ( c h a r g ec o u p l i n g d e v i c e ) 照相的方式获得器件或p c b 的图像，然后经过计算机的处理和分析比较来判断 缺陷和故障。其优点是检测速度快，编程时间较短，可以放到生产线中的不同位置，便 于及时发现故障和缺陷，使生产、检测合二为一，可缩短发现故障和缺陷时间，及时找 出故障和缺陷的成因。因此它是目前采用得比较多的一种检测手段。但a o i 系统也存在 不足，如不能检测电路错误，同时对不可见焊点的检测也无能为力。 在线测试能够有效地查找在表面封装技术s m t ( s u r f a c em o u n t e dt e c h n o l o g y ) 组装过程中发生的各种缺陷和故障，但是它不能够评估整个线路板所组成的系统在时钟 速度时的性能。而功能测试就可以测试整个系统是否能够实现设计目标，它将线路板上 的被测单元作为一个功能体，对其提供输入信号，按照功能体的设计要求检测输出信号。 这种测试是为了确保线路板能否按照设计要求正常工作。所以功能测试最简单的方法， 是将组装好的某电子设备上的专用线路板连接到该设备的适当电路上，然后加电压，如 果设备诈常工作，就表明线路板合格。这种方法简单、投资少，但不能自动诊断故障。 由于b g a 的焊点隐藏在芯片的底部，所以无法通过直接观察的方式对其焊点进行 检测。即使在生产的最后阶段顺利通过功能测试，也不意味着不存在缺陷，很多缺陷无 法从功能的角度去发现。为此，工业生产中，通常利用焊点钎料与p c b 基板材料对x 射线吸收作用显著差异的特性，对这类封装器件的焊点缺陷进行检测。尤其在一些关键 领域当中，对设备的寿命、可靠性有很高的要求，发现并及时消除这些隐藏的内部缺陷 将有助于电子设备的长寿命工作。b g a 焊点的缺陷类型包括：桥连、焊球过大或过小、 漏焊、偏移过大、空洞等等。为了保证一个有缺陷的器件不进入下工序，节约维修成 本，必须加强对焊点缺陷的检测。依赖图像处理及分析技术，绝大部分的缺陷都可以被 2 中北大学学位论文 发现。统计分析表明，集成芯片中的焊点缺陷9 5 都可以通过a x i 方式检测出来。 目前，x 射线检测技术在b g a 封装上的应用已比较成熟，而国内的研究则刚刚丌 始。国内的检测系统大都是从同本，美国等发达国家进口，但是，昂贵的进口价格和核 心检测技术的缺乏，严重制约了我国电子和半导体行业的竞争力。因此开发具有独立知 识产权b g a 内部缺陷射线检测技术，既具有重要的学术意义，又有巨大的市场潜力。 鉴于上述问题，本论文主要研究了基于平板探测器的b g a 缺陷检测，在获得高质 量d r 图像前提下，展开b g a 射线图像预处理技术研究、b g a 射线图像分割技术研究、 b g a 缺陷识别和定位技术研究。 1 2 国内外研究现状 关于b g a 缺陷检测，国内外进行了相关技术的研究。j yd e l e t a g e 通过热循环实验 和加速寿命测试( a c c e l e r a t e dl i f et e s t i n g ) 来确定b g a 和c s p 器件出现故障的规律i lj 。 m y u n u s 等通过对电路板做耐久性实验和热循环实验，检测焊球中的气泡对电路板可靠 性的影响，得出一下结论：焊球中的大气泡，明显的影响电路的可靠性；较多的小气泡， 集中于焊球与基层之间，也会影响电路的可靠性【2 】。 胡永芳、徐玮、禹胜林、薛松柏使用h a w k 1 6 0 x ix 一射线检测仪，准确的检测出 b g a 封装器件贴装焊点的各种缺陷【3 】。这种仪器能够自动计算b g a 封装器件贴装焊点 的空洞率，对空洞缺陷的快速检测和预防具有实际意义。黄恢乐、胡跃明、袁鹏、刘海 明介绍了b g a 芯片的视觉检测任务并提出了基于点匹配的图像识别算法以及实现技术 4 1 ，文中使用阈值法对图像进行分割，然后对二值图像进行点分析运算。点分析运算u 丁 以准确的对焊球定位和计算气泡率，但是，阈值法不能准确地分割对比度较低的图像。 高德云、夏志东、雷永平、史耀武提出了一种b g a 焊球形状参数测试和分析的方法， 采用最大熵阈值方法分割图像，然后对二值图像进行标记【5 j 。文中调用m a t l a b 中的 r e g i o n p r o p s 指令提取b g a 焊接小球的直径并提出了对粒度误差、球形误差和分布概率 误差的分析方法。郭建强、韩江、夏链、余道洋提出了一种b g a 全自动植球机视觉检 测技术【6 】。文中使用阈值法分割图像，用r o b e , s 边缘检测算子提取边界。采用模板匹 配法进行缺陷检测，并融合了序贯相似度算法来提高检测速度。李建辉、董兆文利用x 射线对3 d m c m 中的b g a 焊点、塞板和隔板之间的焊料凸点、叠层基板i 日j 的垂直互连 3 中北大学学位论文 和陶瓷、金属封装等进行检测，根据影像形貌可判断相应的连接及结构缺陷1 7 j 。j i q u a n m a 等用阈值法将b g a 射线图像二值化，然后提取每个焊球的特征，如中心坐标、面 积、轮廓等，并计算出相应焊球的粗糙度，最后，根据焊球的特征判断缺陷类型，如焊 球丢失、桥连、焊球移位和焊球过大或过小纠引。 在多层电路板中，焊球、线路和气泡在二维图像中相同位置上，在实际中却在不同 层上。焊球中相同的气泡，在不同的位置，对电路的稳定性影响不同，气泡在焊球与基 层之问的危害性比在焊球中大。t e t s u h i r os u m i m o t o 等提出了以倾斜照射的方式获取图 像，以便检测焊球下面的缺陷【9 】。文中选取灰度值5 4 为阈值，将图像二值化，然后标记 出每一个焊球，计算出每一个焊球的面积、中心坐标、周长、半径比和圆度，根据半径 比和圆度判断每个焊球是否合格。传统的2 d 射线图像是x 一射线垂直照射电路板而接受 到的图像。只能分析结构比较简单的物体，不能分析物体在高度方向的特征。t d 等对 电路板进行三维重建，来检测象b g a 基层这样的复合层电路板，定位和识别电路短路 发生在哪一层，并确定焊球气泡的具体位置【l o 】【1 1 1 。s b o r d 介绍了一种x 一射线倾斜照射 物体的方法获取图像，然后进行三维重建i l2 。 在无损检测和评价( n d t & e ) 中，原始数据中都有噪声和漂移的存在。噪声根据 传感器的特点，以高斯函数的形式出现。而漂移是由于温度的变化和空气的流动引起的， 没有随机概率的特点。即使是精确的测量，也不能得到足够多的关于噪声和漂移的信息。 人眼是根据物体的密度和面积对缺陷进行识别的。根据人眼识别缺陷的特点，r e z a h a s a n z a d e h 提出了模糊分类算法和基于密度的模糊分类算法【1 3 】。这两种算法都是根据物 体而积和密度的特点进行分类的，在有噪声和漂移的环境中有较好的分类效果。v i j a y s a n k a r a n 提出了一种提高图像分辨率的x 一射线层析算法和一种新的基于神经网络的识 别算法，提升了检测速度和改进了识别质量【1 4 】。该算法对气泡缺陷识别的正确率可达 7 3 ，但随着缺陷种类的增加，该算法的识别正确率将下将到到5 3 ，与传统的神经网络 算法b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 算法相比，识别的正确率有所提高。b o a r d s 提出了基于神 经网络的分类方法，该算法根据图像狄度信息直接进行分类，并不需要先提取缺陷的几 何特征引。 4 中北大学学位论文 1 3b g a 技术简介【1 6 1 1 3 1b g a 封装技术 b g a 技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代，最早被美国i b m 公司采用，但一直到2 0 世纪9 0 年代初，b g a j 真正进入实用化的阶段。在2 0 世纪8 0 年代，人们对电子电路小型化和i o ( i n p u t o u t p u t ，输入输出端口) 引线数提出了更高的要求。为了适应这一要求，q f p ( p l a s t i cq u a df l a tp a c k a g e ，方型扁平式封装技术) 的引脚间距目前已从1 2 7 m m 发 展到了0 3 m m 。由于引脚问距不断缩小，i 0 数不断增加，封装体积也不断加大，给电 路组装生产带来了许多困难，导致成品率下降和组装成本的提高。另一方面由于受器件 引脚框架加工精度等制造技术的限制，0 3 删n 已是q f p ；j l 脚问距的极限，这都限制了组 装密度的提高。于是一种先进的芯片封装b g a 应运而生，它的i o 端子以圆形或柱形焊点 按阵列形式分布在封装下面，引线间距大，引线长度短，这样b g a 消除了精细l 日j 距器件 中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题。b g a 技术的优点是可增$ i l i o 数和间距，消 除q f p 技术的高i o 数带来的生产成本和可靠性问题。 j e d e c ( j o i n te l e c t r o nd e v i c ee n g i n e e r i n gc o u n c i l ，电子器件工程联合会) 的工业部 门制定了b g a 封装的物理标准，b g a 与q f p _ n 比的最大优点是i o 引线间距大，已注册 的引线间距有1 0m m 、1 2 7 m m 和1 5 m m ，而且目前正在推荐由1 2 7 m m 和l m m 间距的 b g a 取代0 4 m m - o 5 m m 的精细间距器件。 b g a 器件的结构可按焊点形状分为两类：球形焊点和柱形焊点。球形焊点包括陶瓷 球栅阵y u c b g a ( c e r a m i cb a l lg r i da r r a y ) 、载带自动键合球栅阵3 u t b g a ( t a p e a u t o m a t i cb a l lg r i da r r a y ) 和塑料球栅阵列p b g a ( p l a s t i cb a l la r r a y ) 。c b g a 、t b g a 和p b g a 是按封装方式的不同划分的。柱形焊点称为c c g a ( c e r a m i cc o l u m ng r i d a r r a y ) 。b g a 技术的出现是i c 器件从四边引线封装到阵列焊点封装的一大进步，它实 现了器件更小、引线更多，以及优良的电性能，另外还有一些超过常规组装技术的性能 优势。这些性能优势包括高密度的i o 接口、良好的热耗散性能，以及能够使小型元器 件具有较高的时钟频率。 由于b g a 器件相对而言其间距较大，它在再流焊接过程中具有自校准的能力，所以 5 中北大学学位论文 它比相类似的其他元器件，例如q f p ，操作便捷，在组装时具有商可靠性。据圊外一些 印制电路扳制造技术资料反映，b g a 器件在使用常规的s m t 工艺】；! l ! 程和设备进行组装小 产时，能够始终如一地实现缺陷率小于2 0 x 1 0 4 ( p a r t sp e r m i l l i o n ，白“分率缺陷数) 而与之相对应的器件，例女i i q f p ，在组装过程中所形成的产品缺陷率至少要超过其1 0 倍。 综卜所述，b g a 器件的性能和组装优j 二常规的元器件，但是许多生产厂家仍然不愿 意投资丌发大批虽牛产b g a 器件的能力，究其原凼主要是b g a 器件焊接点的测试相当困 难，不容易保证其质量和一靠性。 32b o a 焊球的典型缺陷 b g a f t q 典掣缺陷包括：桥连、冷焊球、焊球丢失、焊球4c 泡、焊球突起、山流不足 和翘曲等。 l 桥连产生的原川可能是b g a 器t t ：聚架前起，z i ：叫流炉。l 一引起p c b 板的热小 、f 衡或肯址山十温k 曲线设冒h ：台理，印制扳焊区表m 【蚪层设计小 等原冈造成的。 _ ! i i 阳11 研f 2 冷焊球冷焊球的外表是非常不规则的，冷焊球的外边沿扭曲，呈锯齿状，如 陶l2 所示。形成冷焊的 要原凶：( 1 ) 回流过程中焊球没有稳定和浸润过程有抖动。 ( 2 ) 焊膏和b g a 的焊球没有完全浸润。 6 i lrlr_rk，i 3 焊球丢失焊球丢失足发，l 在安装过程中，通常足“1 操作必洪而引起的。通常 山于阳烨崩溃，迁移到邻近的村蚺，使其变得非常火。如j 划l3 所1 i 。 4 焊球气泡b g a 的焊球可以分为三个层，一个是组件层( 靠近b g a 组件的基板) ， 一个是焊盘层( 靠近p c b 的基扳) ，f l 有一个就是焊球的中m 层。根据不l 刊的情况，空 洞可以发牛在这三个层中的任何一个层，如罔1 _ 4 所示。 b g a 焊球本身可能在焊接前就带有空洞这样在再流焊过程完成_ | 青就形成了空涮。 这l 能足由十焊球制作工艺中就引入了空洞，或是p c b 衷而涂覆的焊膏材料的问题导敏 的。另外屯路板的设讨也是形成空洞的一个主要原凶。例如，把过孔设计在焊盘的f 面， 在焊接的过程中外界的空气通过过孔进入熔溶状态的焊球，焊接完成冷却后焊球中就 会留f 空涮。焊盘层中发生的空涮可能是山于焊盘i ：面印刷的焊膏中的助焊剂在再流焊 7 中北大学学位论文 接过程中挥发。e 体从熔溶的焊料中逸出，冷却后就形成了空洞。焊盘的镀层不好或焊 鼎表面有污染都可能是在焊盘层卅现空洞的原因。 通常发现空洞机率域多的位置是在组件层，也就是焊球的中央蔓j b g a 基板之b j 的部 分。这有可能是因为p c bh 而b g a 的焊盘在再流焊接的过程中，存在空气气泡和挥发的 助焊剂气体。当b g a 的兆品焊球与所施加的焊膏在再流焊过程中熔为一体时形成空洞。 如果再流温度曲线在再流区时问不够长，空气气泡和助焊剂中挥发的e 体来不及逸出， 熔溶的焊料已经进入拎却区变为同态，便形成了空洞。所以，再流温度f | 1 线是形成空洞 的种原冈。共晶焊料6 3 s n 3 7 p b 的b g a 最易f | 现窄洞，而成分为1 0 s n 9 0 p b 的非兆品 高熔点焊球的b g a ，熔点为3 0 2 ，般基本上没有空洞，这是因为在焊膏熔化的再流 焊接过程 i j b g al + 的焊球不熔化。 削l4 焊球气泡 5 焊球突起由于在模型中的分层和挤艇，造成封装中心部分焊球过大。通常是 山于烘烤不当造成的。如罔l _ 5 所示。 8 中北大学学位论文 。 。 ) o 6 l ：9 ，。， ： ， i5 # # 球突起 6 流小足如图i6 n 小，p l l 球过小；焊球大小小致；如粜封装错位，蚪球将 成椭| f _ j | 彤。 7 翘曲d 实际使j i f i t hb g a 封装易十发牛翘曲、存计“ i - ) f ：路引线的l j r 能性 电路板翘曲会造成兀器件定位不准；板弯在s m t ，t h t i i , i ，元器件插脚不祭，自【安裂 难，如| 冬| l7 所不。 削i6 流不足 9 ， 3 3b g a 焊球缺陷的接收标准 不符用哪种榆查设备进行 盘a ，州断焊点的质毓是否合格都必须有依据。i p c 一7 0 9 5 和i p c a - 6 1 0 c1 2 21 2 9 门对b g a 焊 的接收标准进行了定义。优选的b g a 焊点的要求 足焊 光滑、边界清晰、无空洞，所有焊点的卣径、体积、扶度和对比度均一样能弼 对准，无偏移或扭转，尤焊锡球。焊接完成后，优选的标准是追求的同标，但作为合格 焊点的判据，还，叮以比上述标准要求稍微放松。如位置对准允计：b o a 焊点相对于焊盘 有不超过2 5 1 1 勺偏移量；对于焊锡球过火也不足绝对不允许存在，但焊锡球不能大干相 邻硅近的两个焊球自j 距的2 5 。 气泡不一定对b g a 的1 4 靠性有负面影响。i p c 一7 0 9 5 标准“实现b g a 的殴讣和组装过 程”详述了实现b g a 和的设计及组装技术。i p c7 0 9 5 委员会认为有些尺寸非常小、不能 完全消除的气泡可能对于一可靠性是有好处的，但是多大的尺寸应该有一个界定的标准。 气泡中的气体存在可能会在热循环过程中产生收缩和膨胀的应力作用，气泡存在的 地方便会成为应力集中点，并有可能成为产生应力裂纹的根本原因。i p c 一7 0 9 5 中规定气 泡的接收拒收标准主要考虑两点：就是气泡的位置和尺寸。气泡不论是存在什么位置， 是在焊料球中间或是在焊盘层或组件层，视气泡尺寸及数量不同都会造成质量和可靠性 的影响。焊球内部允许有小尺寸的气泡存在，e 泡所占空间与焊球空白j 的比例可以按如 1 0 中北大学学位论文 下方法计算，例如，气泡的直径是焊球直径的5 0 ，那么空洞所占的面积是焊球面积的 2 5 。i p c 标准规定的接收标准为：焊盘层的气泡不能大于1 0 的焊球面积，即气泡的直 径不能超过焊球直径的3 0 。当焊盘层气泡的面积超过焊球面积的2 5 时，就视为一种缺 陷，这时气泡的存在会对焊点的机械或电可靠性造成隐患。在焊盘层空洞的面积在1 0 2 5 的焊球面积时，应着力改进工艺，消除或减少空洞。 1 。4 平板探测器简介 数字x 射线成像( d r ，d i g i t a lr a d i o g r a p h y ) 装置，按其能量转换方式分为间接和直 接两种。x 射线光子直接转换为电信号称为直接能量转换方式，x 射线光子先转变为可见 光，然后再转换为电信号称为间接能量转换方式。c c d ( c h a r g ec o u p l i n gd e v i c e ) 探测器 技术构成的d r 属于间接能量转换方式。而平板探测器构成的d r 分为两种：一种是非晶 硅平板探测器，属于间接能量转换方式。另一种是非晶硒平板探测器，属于直接能量转 换方式。d r 装置上还有使用c m o s 技术和多丝正比技术，但目前使用的较多的还是c c d 探测器与平板探测器技术。以下是对两种探测器的比较，从中也许对我们如何认识d r 会有所帮助。 1 4 1 技术比较 非晶硅平板探测器 由闪烁体或荧光体层涂上有光电二极管作用的非晶硅层d 【1 t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) 阵列构成。矩阵中的最小单元( 像素) 是由薄膜非晶态硅制成的光电二极管，用以将光 转换成电荷沉积。在光电二极管矩阵上被覆有掺铊的碘化铯 c s l ( t i ) 闪烁光电晶体。 透过被检体后的入射x 线，激发光电二极管产生电流，随之就在光电二极管自身的电容 上积分形成储存电荷。每一像素的储存电荷量和与之对应范围内的入射x 线光子能量与 数量成正比。非晶硅平板探测器的技术难点在于结构性c s i 的制造工艺较为复杂，且需光 敏二极管。 非晶硒平板探测器 用非晶态硒涂覆在t f t 阵列上，透过被检体后的入射x 射线在硒层中产生电子一空穴 中北大学学位论文 对，在外施偏压的电场作用下，电子和空穴向相反方向移动形成电流，随之在t f t 积分形 成储存电荷。平板薄膜晶体管技术( 有源阵列) 制成高分辨实时成像板采集图像。非晶硒 平板探测器的技术难点在于要外加数千伏高压，这会对t f t 开关构成威胁。 c c d 探测器 由闪烁体或荧光体加上光学镜头再力n c c d 构成。影像形成为两步完成，第一步，x 射 线经过闪烁晶体( 碘化铯或磷) 产生可见光；第二步，可见光经光电转换由c c d 转变为 电荷。c c d 探测器的技术难点在于光能损失和光学镜头的几何失真。 1 4 2 性能比较 非晶硒平板探测器是真正意义上的直接数字化摄影，因为在影像形成过程中，无 可见光产生。因而不会因可见光的散射和折射造成光能的损失和曝光剂量的增加以及光 学几何失真，高分辨实时成像。 非晶硅平板探测器与非晶硒平板探测器一样是大面积的平板结构，最大平板面积可 以做成( 1 4 1 7 ) 平方英寸。无需放大，无几何失真。 c c d 探测器，单个c c d 芯片可以做成( 5 5 ) c m 2 ，这可以使得像素数增加，可达 1 7 0 0 万像素。平行光和在c c d 的感光层采用氧化锡铟材料来增强可见光的传输率，可使 得光能损失降到最低，几何失真降到最小。具有成像速度快，曝光剂量少的特点。 1 4 3 稳定性比较 硒与硅在自然界中是以晶体状态存在的，故而非晶态硒和硅在常温下的稳定性较 差。平板非晶硒和非晶硅探测器对环境温度要求较高，设备的准备时间较长。c c d 探测 器技术，早非晶硒和非晶硅平板探测器约三十年，因而较为成熟。对环境温度要求不高。 设备的准备时间较短。 1 4 4 发展空间比较 目前非晶硒平板探测器的像素尺寸约为1 3 9 p m 1 3 9 “m ，非晶硅平板探测器的像素 尺寸约为1 4 3 “m 1 4 3 n 。二者的最高空间频率均在3 5 l p m m 左右。受材料和制造工艺 1 2 中北大学学位论文 冈素的制约，发展空问不大。电荷耦合器( c c d ) 探测器可将像素尺寸缩小至6 2 岬6 2 1 a m ， 最高空问分辨率可达70l p m m 。c c d 探测器有别于平板探测器的最大区别在r 其是分 立型的结构因此还有较大的发展空u j 。并具有一定的价格优势和低售后维修成本。 | ! f il _ 8x - 射线非1 1 m i 数宁探测器结构 擞】ip a x s e a n 2 5 2 0 而阵探测器土耍性能指标 像j d f 效j t 成像l 自限n 辨$ 胜“敏垭 曲女把 响戊：或 a ，。转换忸 q ” 数 2 5 0 2 0 0 f | 邶23 w i n 椭1 2 0 0 0 ：li 1 2 b i b 箍于以上各方面的比较，奉论文研究采用( 美) c a f t a n 公司x 一射线非晶硅面阵数字 探测器( a m o r p h o u ss i l i c o nd i g i t a lf l a tp a n e ld e t e c t o r ) 。它的结构原理如罔18 所示，顶 层为可移动的g d 2 0 2 s 品体屏或渗t l 的c s i ( c s i ：t i ) 曲体转换屏川于将x 射线转换为可 见光，与传统转换屏的，= = = h 枉于淡转换屏由柱状时烁晶体排列而成，使射线在闪烁体内 h 能沿直线传播，从商有效地抑制了敞射。其f 层为问距为0 1 2 7 r a m 的非品硅p i - p 光 电二极管和薄膜品体管阵列，用j | 将可见光转换为“电荷| l 像”。数据输h 层将电信号 输入命令处理器中，从而真j 下实现了转换屏0 光探测器件的直接耦合。 v a r i a n 公司已在l 场卜先后推出了p a x s c a n 4 0 3 0 和p a x s c a n 2 5 2 0 型呼的探洲器，成 像面积分别为4 0 0 x3 0 0 m m 2 和2 5 0 x 2 0 0 m m 2 。表l1 为p a x s c a n 2 5 2 0 探测器的主要性能 指标。 实验结果表明，平板探测器成像质量与胶片照相质量相当，但前者榆测周期短、使 用方便等优点是胶片照相所不及的。随着加【：艺和数字处理技术进。步完善，_ l | 板探 3 多 一 中北大学学位论文 测器将最终替代传统的射线成像手段，开创“无胶片数字成像”时代。 1 5 本论文主要研究内容 本文主要研究基于平板探测器b g a 缺陷检测技术，分别研究了b g a 射线图像预处 理、图像分割、缺陷识别和定位的原理及实现方法，本文共分为五章，具体安排如下： 第一章介绍了研究背景、目的、意义和b g a 缺陷检测技术的国内外发展现状，同 时指出了现今研究的热点。最后介绍了本文的研究内容。 第二章在介绍了传统的射线图像预处理的算法的基础上，针对b g a 射线图像的特 点，本文研究了基于熵算子边缘检测的多级组合滤波算法和基于正弦隶属度函数的模糊 增强算法。 第三章研究了边缘检测算法和基于区域的图像分割算法，本文根据b g a 缺陷的特 点，在灰度变换平缓的区域使用基于模糊c 均值聚类分割算法分割图像；在灰度变换剧 烈的区域使用基于边缘检测的图像分割算法分割图像。 第四章详细介绍了b g a 缺陷自动识别过程。研究了焊球特征值提取算法，总结了判 别各种缺陷的方法，然后，根据b g a 缺陷识别流程图对缺进行陷自动识别。 第五章对本文所作的工作进行了总结，同时指出今后有待于进一步深入研究的方 面。 1 4 中北大学学位论文 第二章b g a 射线图像预处理技术 在x 射线成像系统中，由于散射、电器噪声、光量子噪声以及量化噪声等各方面因 素的影响，不可避免地使图像的像质量下降，使图像具有边缘模糊、噪声多、对比度差 等特点，这些不利因素影响了根据射线图像对被检测构件进行分析和评价。因此，为了 能够对b g a 缺陷进行正确地检测和识别，对b g a 射线图像使用预处理是非常必要的，其 主要目的是减少噪声和提高对比度。 2 1b g a 射线图像去噪方法 图像噪声在数字图像处理技术中的重要性已愈加明显，它影响图像处理的输入、采 集、处理的各个环节以及输出结果的全过程。如射线检测高放大倍数图像的判读，x 射 线图像系统中的噪声去除等都已成为不可缺少的技术。因此一个良好的图像处理系统， 不论是模拟处理还是计算机处理无不把减少前一级的噪声作为主攻目的。 图像处理的目的在于滤除干扰，突出目标特征。对滤波处理的要求有两条：图像清 晰；不要破坏图像中的轮廓和边缘有用信息。常用的方法分为空间域法和频问域法。空 间滤波在是在图像窄l 日j 借助模板进行邻域操作滤波完成的，根据其特点可分成线性滤波 和非线性滤波，线性滤波包括邻域平均法，非线性滤波包括中值滤波法等。频域滤波是 频域乘以一个h ( k t ，i , i ) 滤波( 传递) 函数，相当于在空间域把图像与滤波函数的空间域 函数h ( x ，y ) 做卷积，如低通滤波法等。频率域滤波器可获得理想的频率特性，但频率域 处理运算量大，因此，常用空间域平滑处理代替频率域滤波。为了去除射线图像中的噪 声，低通滤波器足最常用的工具 1 7 , 1 8 1 。图像的质量与使用技术、被检测的材料、去噪滤 波器标准的选取有关。所以正确选择滤波器的方法是，以经验为基础并不改变图像中信 息。 b g a 射线图像中的噪声大多数是高斯白噪声，所以对图像去噪的方法，也就是高 斯白噪声的去除方法，从本质上来说，都是低通滤波的方法。低通滤波，它在消除图像 噪声的同时，也会消除图像部分有用的高频信息。凶此，各种图像去噪方法是在去噪和 保留有用高频信息之间进行权衡。 】5 中北大学学位论文 2 1 1 线性低通滤波器 一 i i i ；驴去； 厂1 如：! i1 1o 1 l 1 h = 4 2 5 射线成像检测的对象是微细结构，在用线性滤波处理的同时，必将引起信息的损失， 很难达到即去噪又保存边缘不破坏细节的效果。而处理射线图像的重点是使缺陷在图像 中清楚地显现，这样，线性滤波器较差的保持边缘特性必然使图像模糊甚至丢失缺陷细 节。 2 高斯平滑滤波。高斯滤波器足一类根据高斯函数的形状来选择权值的线性平滑 滤波器。高斯平滑滤波器对去除服从正态分靠的噪声效果明显，一维均值高斯函数为 膏2 g ( x 1 = e 2 0 r 2 ( 2 1 ) 其中，高斯分布参数盯决定了高斯滤波器的宽度，对图像处理来说，常用二维零均值离 散高斯函数作平滑滤波器，这种函数的图形如图所示，表达式为 一幽 g ( i ，) = e 2 0 z ( 2 2 ) 二维高斯函数具有旋转对称性，即滤波器在各个方向上的平滑程度是相同的。高斯 函数是单值函数。高斯函数的傅立叶变换频谱是单瓣的。高斯滤波器宽度( 决定着平滑 程度) 是由参数盯表征的，而且仃和平滑程度的关系是非常简单的，仃越大，高斯滤波 器的频带就越宽，平滑程度就越好。由于高斯函数的可分离性，高斯滤波器可以得以有 效的实现。二维高斯函数卷积可以分两步来进行，首先将图像与一维高斯函数进行卷积， 16 中北大学学位沦文 然后将卷积结果与方向垂直的相同一维岛斯函数卷积。因此，二维高斯滤波的计算量随 滤波模板宽度成线性增欧而不足成下方增长。上述分析表明，高斯平滑滤波器无论在宅 间域还是频率域都是1 分有效的低通滤波器，冈此，在实际图像处理过程中得到了i 稗 人员的有效使用。 吲2i 商斯厢数，i i 意蚓 l 利2 2 衄始b g a 甜线l 刳像 9 h2 3 商斯滤波结果 7 = ；冬撼挚鎏 中北大学学位论文 图2 3 是对原始b g a 射线图像( 图2 2 ) 高斯滤波的结果。从滤波后的结果可以看 出，高斯滤波在抑制噪声的同时，也较好地保存了图像中的细节。 2 1 2 中值滤波 线性滤波器在降低噪声的同时也模糊了边缘，且丢失图像的细节信息。非线性滤波 中的中值滤波不仅算法简单、灵活好用、易于理解实现，而且具有平滑图像、增强边缘、 抑制噪声、保存细节等功能。中值滤波是一利，非线性信号处理技术，对抑制图像中的噪 声非常有效，同时还能很好地保护图像的边缘。 中值滤波就是用一个含有奇数点的滑动窗口，窗口正中的那点灰度值由窗口内各点 狄度的中值代替。假设图像中某像素的灰度值为f ( x ，y ) ，邻域大小为( 2 七+ 1 ) x ( 2 l + 1 ) 的 矩形窗1 ：3 ，则中值滤波后该点的灰度值为1 1 9 j kl g ( x ，j ，) = m e d xm e d y 【厂( x + ，y + ) ( 2 3 ) i = - k j