（信号与信息处理专业论文）bga焊点缺陷的自动检测与识别技术的研究.pdf

原原 创创 性性 声声 明明 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。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明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：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；以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学学校可允许学 位论文被查阅或借阅；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学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；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） 。后遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期：日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学研究生学位论文 bga 焊点缺陷的自动检测与识别技术的研究焊点缺陷的自动检测与识别技术的研究 摘要摘要 bga 是一种球栅阵列封装器件，广泛应用于印刷电路板中，但由于 bga 封装器件 下焊点不可见，从而对焊接引起的缺陷检测显得尤为困难。文中就针对 bga 焊点缺陷 的检测，设计了一套基于 x 射线的印刷电路板（pcb）检测的机械系统，研究了 bga 焊点缺陷的自动检测与识别的方法。 根据 x 射线检测的原理，设计了一套基于 x 射线的 pcb 检测的机械系统。通过调 节系统各部分器件之间的距离，选择最佳距离，从而使得采集的图像效果最好。 在图像预处理方面，采用了基于小波的自适应阈值法去噪，有效地去除了图像中的 噪声；针对 x 射线图像中的动态范围小，对比度差的问题，采用了基于偏微分方程的图 像增强方法，在增强图像对比度的同时较好的保护图像的边缘细节。 本论文采用了基于变分水平集的分割方法， 将 bga 焊点及其内部的缺陷分割出来， 实验证明，该方法抗噪能力强，能够得到边缘信息和轮廓特征，具有良好的分割效果。 最后使用统计模式识别的方法对 bga 焊点图像中的缺陷进行识别。 根据 bga 焊点 缺陷的特征，选择焊点的面积、周长、周长面积比等特征参数作为特征向量，采用了基 于决策树分类的方法，将各缺陷进行分类学习训练，形成分类器。实验结果表明，统计 模式识别方法能够有效准确的识别 bga 焊点图像中的缺陷。 关键词：关键词：焊点图像，图像分割，特征提取，缺陷 中北大学研究生学位论文 bga joint defect automatic detection and recognition technology abstract bga is a kind of ball grid array widely used in printed circuit board. it is so difficult to test defect, because the solder joints of the bga are under the chips surface. in this paper, we design a set of mechanical system based on x-ray for the circuit board defect and discuss the identification method for automatically picking up defects of the solder joints in order to realize defection of the bga solder joints defects. according to the principle of the x-ray detection, we design a set of mechanical system based on x-ray for the circuit board defect. we can adjust the distance between the devices of each part of the system, choose the best distance, so that the effect of the best image acquisition. in the part of image preprocessing, in order to solve the noise problem in the x-ray image that we use the wavelet adaptive threshold method to remove the noise from the x-ray solder joint image. this method not only can remove the noise effectively but also can preserve image edges better. in order to improve the contrast of the x-ray solder joint image, we use the image enhancement method based on partial differential equations to enhance the contrast of the image. this method can enhance the contrast of the image and well preserve the edge details at the same time. the purpose of image segmentation is the bga solder joints and its internal defect segmentation. in this paper we introduce the traditional segmentation method such as the segmentation method based on threshold, the segmentation method based on region and the segmentation method based on edge. in this paper, we mainly studied the segmentation method based on variation level set. through the experiment we can found that this method has strong anti-noise ability and can get the edge information and contour feature. the experiment shows that this method has good segmentation results. finally, we use the method of statistical pattern recognition to identify the image of the bga solder joint defects. according to the characteristics of bga solder joint defects, we choice of solder joint area, perimeter, and area ratio of the circumference and other characteristic parameters as feature vector. each defect should classification, learning and training according to a classifier which based on a decision tree method. the experimental 中北大学研究生学位论文 results show that the statistical pattern recognition method can be effective and accurate identified the defects from the bga solder joint image. keywords: solder joint image, image segmentation, feature extraction, defect identification 中北大学研究生学位论文 i 目目 录录 1. 绪论绪论 1.1 课题来源及研究背景 . 1 1.2 bga 焊点缺陷的检测与识别技术的国内外现状 . 2 1.3 论文内容的安排 . 4 2bga 焊点焊点 x 射线检测系统及图像预处理射线检测系统及图像预处理 2.1 引言 . 5 2.2 bga 焊点 x 射线实时检测系统 . 5 2.2.1 x 射线检测的原理 . 5 2.2.2 bga 焊点 x 射线实时检测系统 . 6 2.2.3 x 射线实时检测系统性能分析 . 9 2.3 x 射线图像降噪技术 . 10 2.3.1 帧叠加平均滤波 . 11 2.3.2 自适应小波阈值法 . 12 2.4 射线图像增强 . 15 2.4.1 直接灰度变换 . 15 2.4.2 直方图均衡的增强 . 18 2.4.3 基于偏微分方程（pde）的图像增强 . 19 2.5 本章小结 . 21 3bga 焊点焊点 x 射线图像的分割射线图像的分割 3.1 引言 . 22 3.2 传统的图像分割的方法 . 22 3.2.1 基于阈值的图像分割 . 22 3.2.2 基于区域的图像分割 . 23 中北大学研究生学位论文 ii 3.2.3 基于边缘检测的图像分割 . 23 3.3 一种基于变分水平集的射线图像分割方法 . 23 3.3.1 活动轮廓模型的基本概念 . 24 3.3.2 几何活动轮廓模型（gac） . 25 3.3.3 水平集方法 . 26 3.3.4 变分水平集方法 . 29 3.3.5 改进的变分水平集方法 . 30 3.4 实验结果与分析 . 30 3.5 本章小结 . 32 4bga 焊点焊点缺陷识别技术缺陷识别技术 4.1 引言 . 33 4.2 典型的 bga 焊点缺陷分类. 33 4.3 特征提取 . 34 4.3.1 焊点的标记 . 35 4.3.2 特征选择. 35 4.3.3 bga 焊点缺陷特征的选择 . 37 4.4 缺陷识别 . 39 4.4.1 模式识别系统 . 39 4.4.2 统计模式识别方法 . 40 4.5 bga 焊点缺陷识别与分类 . 45 4.6 实验结果与分析 . 48 4.7 本章小结 . 49 5. 总结与展望总结与展望 5.1 本文工作总结. 50 5.2 课题展望 . 50 中北大学研究生学位论文 iii 参考文献参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文攻读硕士学位期间发表的论文 致谢致谢 中北大学研究生学位论文 1 1. 绪论绪论 1.1 课题来源及研究背景 本课题为纵向课题，来源于山西省工业攻项目。 随着经济的发展，电子产品也在快速的迅速的更新，大到航空、航天装置，小到笔 记本电脑、移动电话等，都在向着同一个方向发展，即外形更加小巧、质量更轻、功能 更强、速度更快以及可靠性更高的方向发展，这就使得半导体工业向着芯片高集成的方 向更新。bga(ball grid array)这种新型芯片正是这种技革命的产物1，近年来，bga 封 装器件以超乎想象的速度进入了电子行业，很多知名的电子企业已经在广泛的使用。相 信不久的将来，bga 封装器件会越来越普及。 最早人们是在 60 年代人们就开始了对 bga 技术的研究。 直到 90 年代， bga 技术 才开始得到电子企业的认可。在 80 年代，应人们的需求输入输出渐渐变小，四面扁平 封装引脚已经从 1.27mm 改进成了 0.3mm2。随着点与点之间的距离越来越小，焊点数 量越发变多，使得电子产品的生产变得艰难3。另一方面这些器件的封装密度容易受到 了加工工艺的限制而不能够进一步的加大， 为了克服这些制约因素，bga 这种新型的 封装器件就出现了，bga 芯片的引脚与其他的芯片不同其引脚是隐藏在芯片下面且多 为圆形的和柱状的。如此 bga 就克服了高密度芯片当中由各管脚所带来的共面度和形 变等缺陷4,5。bga 器件最大的优势就在于它的输入输出数目增多了，同时引脚之间的 距离扩大了，并且节省了制作成本。 所有的事物必然都是具有两面性，bga 芯片也是如此，既有优点同时也存在缺点。 前面讲到了 bga 芯片的优点，下面讲到的就是其缺点，其缺点主要是由于焊点是在芯 片的下面，加大了检测的难度，并且 bga 器件的维修成本偏高。 由于 bga 焊点的检测的难度较大，传统的焊点检测方法对 bga 器件显得无能为 力。传统的光学检测只能检查到 bga 器件四周边缘的焊点情况6,7，而一般的电器性能 测试针对的是焊点的通断情况，并不能判断缺陷的类型；自动激光检测系统可以测量器 件贴装前焊膏的沉积情况8，也不能检查 bga 焊点缺陷；国外有关研究曾经证实对于 聚酰亚胺和陶瓷封装的 bga 焊点的检测可以通过声学来实现。但是由于声学对的传播 中北大学研究生学位论文 2 的限制不能够实现对利用 bt 材料制成的 bga 焊点的检测9。 目前，我国对bga器件的检测主要是依赖人，凭借人的经验实现对bga焊点的客 观评价。这种方法需要人们全神贯注的时刻注意物体，长此下去，可能使人们的眼睛发 生病变且视力下降10。但是，人为检测具有主观性，工作时间有限，容易受到干扰，检 测的准确率不高。不经意的，就会带有缺陷的印刷电路板流入销售渠道，其后果相当严 重，直接影响了产品质量、生产质量和生产效率11,12。利用x射线实时成像系统可自动 准确的检测出pcb的缺陷，提高了检测的可靠度和检测效率，节省人力，避免这种因长 期从事该项工作给工人的身心健康造成极大伤害。 因此， 研究一种成本较低， 并且检测水平较高的焊点质量检测方法将为我国电子工 业的发展带来很多好处。基于x射线的bga焊点缺陷的自动检测与识别技术正在快速的 发展，是目前bga焊点缺陷检测的最优选择。许多相关电子企业已经在利用这一技术实 现bga封装器件的检测。这种技术不但能判断其是否存在缺陷，还能够定性判断缺陷类 型并获得相关特征参数。 1.2bga 焊点缺陷的检测与识别技术的国内外现状 能够实现对 bga 焊点缺陷的自动检测是无损检测行业发展的一个重要方向。近年 来，利用 x 射线检测技术实现对 bga 焊点的检测无论是国外还是国内都有着巨大的应 用需求和市场价值，激发了国内许多无损检测科研人员和商家的浓厚兴趣。 在国外， 针对 bga 封装器件的检测已经做了大量的相关的研究。 byungwhan kim13 针对这类型器件的在线检测及其性能测试主张应用神经网络的系统,选择了失效率为依 据，转化为置信度的方式，通过设备的数据维护、在线检查设备检测数据，串联的各道 工序检测数据从而得出失效原因； vijay sankam14提出 x 射线分层法进行焊点缺陷的自 动检测，检测目标主要是 bga 封装器件焊点焊接质量问题，提出了提高信噪比的新方 法来增强提高焊点三维形态的可视性； 其他一些学者, r. glenn robertson、 susan crum15 等也分别对表面贴装产品的相关检测进行了有关的研究。近年来，美国、日本、英国等 国已有使用图像处理技术检测，分析表面贴装产品组装焊点质量的研究进展和报道，目 前，已经有了成套的用于 pcb 检测系统投入使用，例如德国的 phoenix x 射线检查系统 pcba/inspector10016,17；以色列 camtek 公司的 2v30、2v50 型和 optrotech 公司的 中北大学研究生学位论文 3 vision105 型18,19，利用参数法结合自动化系统法实现缺陷检测的目的；美国林肯激光 公司 inspctar/verifier 型自动光学检测仪20， 则能够实现电路板中跨界和断线等缺陷的检 测。还有一些其他的系统在上面三种方法的基础上结合了图像的识别技术，实现电路板 的自动检测 21,22。其中典型的 x 射线检测仪器有日本岛津公司生产的微焦 x 射线透视 仪 smx-100023，该检测系统功能特别强大且对 bga 焊点的检测非常有效。 我国对焊点缺陷在线检测的探索比其他国家要晚很多。 在二十世纪八零年代， 由哈 尔滨工业大学的陈定华等提出了“一个微机图像处理系统以及相应的软件系统” 24,25， 分 别对检测仪的机械设计和软件部分反复的做了相关研究，针对各种图像选择了分辨率不 同的借口。我国也是最近才开始了对这类新型焊点器件的在线检测功能以及评价器件工 作性能的相关的探索，目前任然需要人们来学习并运用进口回来的设备实现对这类器件 的检测、性能分析，对有关理论的探索不足够深入，为了能够满足这类型的芯片器件的 在线实时检测以及性能评价的的功能，还有这类型芯片的合格率、品质、功能等的要求 显得越来越苛刻。搜索文献会发现，国内许多相关这类新型芯片产品可能存在的缺陷以 及可以解决其缺陷的办法的文献被发表了。 华南理工大学的黄恢乐等人做了bga芯片定 位算法的研究26,27。蒋刚毅等人基于图像处理的bga封装器件缺陷算法研究28。国内的 smt生产企业中科麦特公司和中国科学院西安光学精密仪器研究所共同自主生smt贴 片机以及新型高分辨率bga x射线检测机29，属于国内先进水平，但仪器的综合性能还 是不足够完善。 根据相关的报道， 目前我国的这种在线检测的系统还没能够实现商品化， 更是不存在将机械操作和软件分析数据联合起来对这类芯片器件的检查、定性、评估等 综合性商品的开发和介绍。这方面商品任然处于空白阶段。 目前印刷电路板检测的方法主要有人工视觉检测30、自动光学检测31、飞针式测 试仪32及x射线检测33等方法等，这些方法都有其优缺点。 x射线检测能够实现对引脚间距极小且密度超高的电路板的有效检测，使用x射线 检测球栅阵列(bga)焊点的缺陷是当前可以满足其要求的唯一方法。x射线检测这种检 测方法是基于x射线对不同材料的透射率不同的原理，可以对那些隐藏芯片底部的bga 焊点进行检测，主要用于电路组装工艺过程中焊点可能产生的缺陷的的检测。利用x射 线对焊点铅料和pcb材料吸收的差异特性，实现对这类隐藏焊点缺陷的自动检测，无疑 x射线检测系统将会是bga器件检测的最理想的系统了。 中北大学研究生学位论文 4 1.3 论文内容的安排 文章中将课题的研究重点分为五章，其内容如下： 第一章：绪论；首先分析了研究该课题的背景意义以及bga焊点检测的国内外研究 现状。 第二章：bga焊点x射线检测系统及图像预处理；介绍了x射线检测的基本理论， 讨论分析了x射线实时成像系统的系统搭建及其工作原理。并且根据采集到的射线图像 的特点分析了图像去噪与图像增强等的图像预处理的方法，针对课题要求选择最理想的 算法。 第三章：bga焊点x射线的图像分割；介绍了图像分割的原理，根据bga焊点射线 图像的特点分析并讨论了多种图像分割算法的优缺点，综合比较之后选出本课题中理想 的分割方法。 第四章：bga图像缺陷识别技术；介绍了典型的bga焊点的缺陷类型，分析各类缺 陷的特点， 选择合适的特征实现特征的提取。 识别技术介绍了统计模式识别的基本知识， 建立分类器训练得出缺陷判别的准则，从而实现bga焊点的缺陷识别。 第五章： 总结与展望； 总结了论文中所做的工作以及相关的结论。 在本文的基础上， 分析了课题进行的不足之处，为了完善系统，提出了对未来工作的展望。 中北大学研究生学位论文 5 2bga 焊点焊点 x 射线射线检测系统及检测系统及图像预处理图像预处理 2.1 引言 工业无损检测技术在经过了几十年的发展，已经比较成熟，通常需要根据不同的检 测对象来选择不同的检测系统。在本章中，首先介绍了常见的 x 射线无损探伤技术，重 点介绍了基于 x 射线的 bga 检测系统的构成及其成像过程，同时相应的给出了能够解 决这些 bga 焊点射线图像中存在的质量问题的图像预处理的方法。 2.2 bga 焊点 x 射线实时检测系统 2.2.1 x 射线检测的原理 x 射线是一种波长很短的电磁波，波长为 6 10 8 10cm，x 射线穿透能力很强，能 穿透一般可见光不可以穿透的物质，其穿透能力与其波长及被穿透物质有关系34。若 x 射线的波长越短，其穿透能力就越大；密度也越低，厚度就越薄，此时 x 射线也就更容 易穿透。 这个穿透的过程是一个非常复杂的过程， 我们要准确的理解 x 射线在其穿透物 体时与被检测物体之间相互作用的过程， 这将对我们掌握 x 射线无损探伤原理及规律有 着很重要的作用。 x 射线的强度由于受到在其穿透物体时发生的吸收和散射的影响而减弱。其强度衰 减的程度取决于物质的衰减系数和 x 射线在物质中能够穿越的厚度35。假设被检测的 物体只有局部是有缺陷的，同时其衰减系数在缺陷部分和物体部分是不同的，这样射线 的强度在透过缺陷的部分和物体的部分也会不同。如图 2.1 所示， 0 i表示一束平行的射 线，t的被穿透物体的厚度，其内局部有缺陷，t是缺陷在射线透过方向的尺寸，为 射线的衰减系数，则当射线垂直入射到无缺陷部分和有缺陷部分时，其射线的强度分别 为： 0 t ii e （2.1） () 0 tt ii e （2.2） 则射线的强度在透过无缺陷部分和有缺陷部分的比可以表示为： 中北大学研究生学位论文 6 () 0 0 tt t t i ei e ii e （2.3） 图 2.1 x 射线检测基本原理 在 x 射线检测中，所得到的射线图像就是 x 射线透射物质后衰减和吸收的记录， 它以灰度图像的形式来反应其物体内部的结构特征，并且所有能量的散射线与透射线的 吸收和衰减也可以根据其灰度图像得到。 在 x 射线检测中， 我们可以从所得的射线图像中直观的观察到物体中的缺陷， 经过 观察并分析图像，就可以较准确的评判出其缺陷的相应的性质、数目、大小及其所在位 置。 它能够比较容易的检测出那些在工件中形成局部厚度差的缺陷。 因为 x 射线的吸收 率很大程度上取决于材料的密度， 因此 x 射线检测对类似气孔或夹渣等缺陷的检测非常 的有效。但对于这种被垂直照射的偏薄的缺陷则显得无能为力。 能够被检测出的缺陷的大小与射线透照的厚度密切相关，最小尺寸是射线透照厚度 的 1%，其缺陷的长度与宽度的单位分别是毫米数量级和亚毫米数量级。x 射线检测的 物体的厚度可以很薄，几乎是没有限制的。反之，由于受到 x 射线透射能力的制约则不 能够检测特别厚的物体，x 射线的透射能力是由 x 射线的光子能量决定的。 2.2.2 bga 焊点 x 射线实时检测系统 本课题是纵向合作项目，根据项目要求所设计的 bga 焊点 x 射线实时检测硬件系 统结构如图 2.2 所示，x 射线源发射的 x 射线穿过印刷电路板后，增强器将其衰减程度 不同的 x 射线转换为可见光，再由高分辨率 ccd 相机进行光电转换，将光信号转化为 电信号，通过图像采集卡将得到的图像由显示终端显示出来，最后通过软件系统对采集 中北大学研究生学位论文 7 到的图像进行进一步的处理和识别。图 2.3 所示的即为本课题开发的基于 x 射线的印刷 电路板实时成像机械系统。 图2.2 系统器件结构示意图 图 2.3 印刷电路板 x 射线实时成像检测硬件系统 1、ccd 摄像头 ccd 摄像器件具有惰性小、灵敏度高、抗强光照射、几何失真小、均匀性好、体 积小、寿命长等优点36。ccd 成像装置是最常用的视屏输入设备，广泛应用于电视与 科学研究等行业。本课题选用的 adimec-1000 是一款百万像素黑白相机，可以提供 50 帧每秒的连续图像通过 camera link 接口的全分辨率率模式。如果我们使用的是其外部 的可编程的本地扫描读出模式，还可以实现更高的帧数。约 2/3 英寸隔行扫描 ccd 成 像器设计，是一款敏感度较高、电子快门速度极高的相机，所得图像具有低涂片、高品 质等优点。 相关的指标包括： 图像大小10041004； 像元大小为7.4m； 数据格式为camera link；信噪比大于 60db；a/d 为 10bits；传输速度为双通道 50 帧/秒；变焦镜头焦距为 电 路 板 像 增 强 器 ccd 相机 图 像 采 集卡 主 控 计 算机 x 射 线 源 中北大学研究生学位论文 8 12.575ma。 2、射线图像增强器 射线图像增强器主要由闪烁体、 光电阴极、 聚焦电磁场、 输出荧光屏等部件构成37。 x 射线影像增强管的工作原理就是 x 射线激发碘化铯涂层产生可见光子，激发光电阴 极，从而产生光电子，再经过电子集中系统聚焦并加速,轰击屏幕的输出,形成了与过去 相比亮度增强,尺寸减小的可见光图像。 本课题选用基于微通道板的射线增强器， 该增强 器的优点是结构相对简单、体积偏小、分辨率较高等。其性能指标包括：直径为 70mm, 空间分辨率为 101p/mm。 3、x 射线源 本课题选用 sb-80-250 型的微焦点 x 射线源。其焦斑大小是 33m，阳极（靶）电 压为 3580kv，在此范围内的射线可穿透 bga 芯片焊点。阳极电流为 10250a，连 续可调。整个射线源的功耗很低，最大功率为 15 瓦，整体的效率相对较高。 4、图像采集 图像采集卡其工作步骤为：首先采集 ccd 摄像头输出物体的信息，经过模数转换 后将数字信息存入存储的通道中，再由计算机将其中的一帧图像停留在图像通道中，也 就是采集或捕获了一帧图像，计算机对采集的图像进行处理38。本课题图像采集卡选用 x64-cl express 型号的图像采集卡。 pci-express 是一种串行数字接口技术， 可以提供专 用的宽带为每一个连接装置， x64- cl express 支持多达两台独立的 base 或一台 medium camera link彩色或黑白摄像机。ccd 黑白摄像头输出的标准模拟图像信号进入采集 卡后，将其转换为 8 位的灰度数字图像输出。 5、软件系统 基于 x 射线的 pcb 实时检测系统的软件系统包括图像的采集模块、图像的预处理 模块、图像的分割模块、缺陷的识别模块和数据库等。图像采集即是通过图像采集卡提 供的 sdk（software development kit,软件开发包），完成图像的接收、显示和保存由采 集卡传来的图像数据。 图像预处理模块包括常用的图像处理功能， 如图像的缩放、 负片、 二值化、图像的降噪、增强及锐化等，使得后续的图像识别功能更加顺利。缺陷自动识 别模块是将图像分割后的焊点进行一一识别判定，帮助工作人员判断 bga 隐形焊点是 否合格，并将缺陷进行归类。数据库模块是软件系统的辅助模块，它可以将自动生成的 中北大学研究生学位论文 9 检测结果做成报表，这样既可以方便工作人员直接打印或保存。一般的 pcb 检测系统 多指软件系统，本文主要研究的是获得 bga 的 x 射线图像后的缺陷自动识别模块。 2.2.3 x 射线实时检测系统性能分析 1、x 射线源 选择不同大小焦点的 x 射线源， 所组成的系统的分辨率将不同， 所得到的图像的清 晰度也不相同，同时能够检测到的物体的形状也会受到制约。设几何不清晰度为 g u，f 为射线源焦点尺寸， 1 d为射线源到物体的距离， 2 d为物体到增强器的距离，则 2 1 g d uf d （2.4） 由式（2.4）可知，当一个 x 射线系统固定不变时，所选用的射线源的焦点越小， 越能提高图像的质量。此时图像得放大倍数可表示为： 12 1 dd m d （2.5） 由式（2.4）和式（2.5）可得 1 g uf m （2.6） 此时， 几何不清晰度被视为是放大倍数的函数， 若已知微焦点 x 射线源就能够得到 要比传统的 x射线源更大的图像放大比率。 图 2.4 中表示了微焦点射线源成像的示意图。 图 2.4 微焦点 x 射线源成像示意图 2、系统最小分辨率 中北大学研究生学位论文 10 系统的分辨率同样也是评价 x 射线成像系统优劣的非常重要的性能指标之一， 系统 中任何一个子系统的变化都会导致系统的分辨率发生改变。如图 2.5 所示，设f为射线 源焦点的尺寸,其可分辨的物体的最小尺寸为s, 1 d为射线源焦点到成像屏的距离， 2 d为 焦点到被测物的距离，12d dm，若射线源的端点 a 与端点 b 重合时，系统将不能 区分物体s。 图 2.5 最小分辨率示意图 12 1 dds df （2.7） 上式可简化为： 21 11 1 ds dmf （2.8） 则有 1 ms f m （2.9） 目前，bga 焊点最小已达 0.3mm，焊点间距离最小为 0.5mm。按照 ipc7095 标 准焊接缺陷尺寸最小为焊点的 1038。因此，设计的 x 射线实时检测系统的分辨率最 小为 0.03 mm(约为 16.7lpmm)。由于系统所用的射线源焦斑大小为 33m，焊点为 30m，此时，系统的分辨率就符合了 x 射线检测系统的设计要求。 2.3 x 射线图像降噪技术 消除干扰因素，强调目标就是图像进行去噪的意义。满足去噪的前提条件包括有： 中北大学研究生学位论文 11 图像足够清楚；原始图像中的重要的细节要得到充分的保护39。一般在射线图像中的噪 声大多为高斯白噪声，所以通常选择低通滤波法来去除图像中的噪声。低通滤波法，可 以有效去除高斯白噪声，但同时它也会将图像中的部分有用的信息去除掉。所以，哪一 种方法更加适合去噪，就是要看去该噪方法是否能够在去除噪声的同时也能够保留图像 中的有用信息。 由于采集到的印刷电路板 x 射线图像具有噪声大、 信噪比低， 动态范围小及对比度 差等质量问题。图像处理不但可以减少图像噪声提高图像质量，并且能够增加缺陷检测 的精度，而且运算时间也有所缩减，使得缺陷检测的效率提高了，实现真正的实时在线 检测。本小节详细分析 x 射线检测图像的特点，并给出相应的图像处理方法。 2.3.1 帧叠加平均滤波 对射线图像而言，其图像增强器及电脑的显示屏幕产生的噪声较多，并且在系统成 像的过程中，由于其射线源的性质不是点的及光电子产生的散射现象等使得图像不够清 晰且亮度偏暗，这时，就可以使用多帧叠加平均的去噪处理所得的图像的质量。 设,g x y为有噪声的射线图像，,n x y为噪声，( , )f x y为原始图像，下式成立： ,( ,)( ,)gx yfx yn x y （2.10） 多帧叠加平均法是把一系列含有噪声的图像 , f gx y叠加起来并求得平均值，从 而实现去噪的目的。其步骤是首先将取得的m张含有不同噪声的同一幅图像叠加起来， 再取平均，如下式所示： 1 1 , m j j g x ygx y m （2.11） 由此就可得出： ,( , )e g x yf x y （2.12） 由式（2.11）可以看出，其叠加平均后的图像随着噪声图像数目的不断增加而不断 地接近其原始的不含噪声的图像。如图 2.6 中， （a）图为加有椒盐噪声和高斯噪声的图 像，图（b）为 64 帧叠加平均去噪处理的图像， （c）图为 128 帧叠加平均去噪处理后的 图像。 中北大学研究生学位论文 12 图 2.6 中，分别将有噪声射线图像和对其进行 64 帧叠加平均以及 128 帧叠加平均 的结果图像进行比较，可以发现多帧叠加平均法能够有效的减弱图像