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模拟与数字X射线检查系统的比较

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-08  浏览次数:774
核心提示: 摘 要:BGA与CSP封装在电子产品中应用的不断增长,促进了电子制造业对X射线检测技术的需求。X射线检查系统最新的研发是在X射
        要:BGACSP封装在电子产品中应用的不断增长,促进了电子制造业对X射线检测技术的需求。X射线检查系统最新的研发是在X射线探测器方面作了改进,提高分析图像的质量与分辩能力。数字CMOS平面探测器,图像尺寸,分辩率与灰度级性能的提高, 这两种数字探测器都可用于X射线检测系统。

关键词:X射线检查,模拟探测器,数字探测器。

  1. 

BGACSP封装在电子产品中应用的不断增长,这些封装器件在相同或更小尺寸的封装内提供更多的功能,于是也再次促进了电子制造业对X射线检测技术的需求。

X射线在不损坏这些器件条件下,有助于确认封装底部的焊点质量。此外,随着电子组装无铅化立法与市场的紧迫需要,由共晶Pb/Sn合金长期形成的焊接质量历史标准,使得确认无铅合金焊接质量的要求日趋强烈。电子组装无铅化与封装尺寸的小型化要求制造厂商改进他们的X射线检查系统产品质量和功能。

初期,对X射线检查系统的改进,主要集中在X射线发射管的高放大倍率与分辩率。随后采用倾斜角度检查焊点,系统放大倍率没有折衷,这对于BGACSP器件的焊点检查是关键的。X射线检查系统最新的研发是在X射线探测器方面作了改进,提高分析图像的质量与分辩能力。

  2. 模拟/数字X射线探测器

原先所有的X射线图像都需要经过化学处理在感光膜片上产生。这就意谓着不能提供‘实时’分析。医疗设备的需要促进了X射线检测的图像倍增器(Interncifier)研发,InterncifierⅡ能在实时生成图像,且已被印制板与半导体的X射线检测系统制造厂商所采用。

图像倍增器(Interncifier)中,X射线敏感荧光屏面向X射线发射管,X射线穿过样品,撞击荧光屏转变为可见光,CCD摄像机截获显示可见光图像。图像的阴暗部分显示密度较高部位如焊料合金,

图像的明亮部分显示样品材料密度较低部位如印制板基材(如图1)。

1 0.3 Meg象素PCB

模拟倍增X射线图像

老式CCD摄像机在8/bit256灰度级)每秒25帧图像获得数据;因此称之为‘实时’。每帧图像大约640×480象元或0.3 Meg象元,从图像倍增器(Interncifier)的整个荧光屏面上截获可见光信息。而且图像倍增器荧光屏(Interncifier)直径越大,则获得的图像分辩率越低。例如4"直径的图像倍增器每厘米有高达50线的分辩率,(50lp/cm),这是大多数制造厂能提供的标准配置,也是经常称之为‘模拟探测器’以模拟形式从CCD摄像机上获得图像信息。

图像分辩率,图像尺寸与灰度级敏感性的改进,对现在和将来X射线检测的应用无疑是需要的。由此现已有各种类型的X射线探测器,且用来取代模拟图像倍增器(InterncifierⅡ)。在全部放大倍率范围内,经改进的清晰图像提供更好的图像分析能力(图2

2 1.3 Meg象素PCB

数字倍增X射线图像(图1所示)

X射线检查系统采用这些改进的X射线测器,对检查本征X射线反差很小的样品特别重要。这些探测器具有很大的反差敏感性,在X射线检查过程中,能很好地视觉分离各个特征,如非导电性芯片粘接,封装,塑封材料内空洞与球形顶面,微孔检查等。

这些新型探测器可归属为数字X射线探测器。虽然使用的数字技术各不相同,但其共同点是图像数据输出是数字的,并非模拟的。习惯上讲,为X射线检查系统使用的数字探测器选项价格很贵,不过近年来,有些数字探测器已成为X射线检查系统标准配置。

  3. 数字与模拟X射线探测器的比较

数字与模拟X射线探测器有相同的基本部件。X射线敏感器件将X射线转换输出给能测量或显示图像的另一种媒体,通常还包括一些放大。经模数转换器将模拟信号转变为数字信号传送给图像计算机处理,数字与模拟X射线探测器不同的是模数变换器(A/D)的位置(图3,图4),而且数字X射线探测器使用高象元数,高灰度敏感性与分辩率改进的CCD摄像机取代模拟摄像机。

3 模拟探测器—X射线检测系统

4 数字探测器—X射线检测系统

在模拟系统中,从探测器输出的模拟信号,在图像处理计算机内进行模/数变换。数字探测器的模数变换器是在探测器内,从探测器组件输出的只是数字信号。初看起来,数字与模拟X射线探测器的差别微不足道。然而两者真正差别是数字X射线敏感元件的分辩率,检测速度与灰度级敏感性等固有特性。

数字X射线探测器通常用于PCB检查,包括配置数字CCD摄像机的图像倍增器(Interncifier—数字图像倍增器,或CMOS X射线平面探测器。

  4. 数字探测器与CMOS平面探测器

数字Ⅱ使用在模拟倍增器中相同的X射线敏感荧光屏,但配置高象元素,高灰度级的敏感性与分辩率改进的数字CCD摄像机取代模拟CCD摄像机。COMS平面探测器也使用同样的荧光屏将X射线转换为可见光图像信息。区别是采用2维硅光二极管阵列器件取代CCD摄像机获得图像。从探测器荧光屏的光图像信息,根据入射光强度在硅光二极管阵列的每个单元上建立电符。电符按照数据线与所接受的数字图像信息周期性的变化。两种探测器的特征与性能比较如表1所列; 


1 两种COMS平面探测器

(模拟/数字倍增器)特征与性能比较

从表1比较可见,两种数字倍增器的性能要比模拟倍增器好得多,下面进一步比较两种数字探测器的性能;

   l 数字倍增器的图像尺寸大与CMOS平面探测器30%(数字探测器为433%模拟倍增器)。

   l CMOS平面探测器分辩率优于数字倍增器10%,(CMOS平面探测器分辩率为266%模拟倍增器)。

   l 数字倍增器灰度分辩率优于CMOS平面探测器的24倍(数字探测器为128倍模拟探测器)。

   l 数字倍增器帧辐速率优于600% CMOS平面探测器(模拟探测器与数字探测器相同)。

X射线检查系统可配置更大尺寸的CMOS平面探测器,但势必导致整个设备价格提升,又会出现相对高的制造缺陷水平。这些缺陷必须避免,而且应该从数据中清除,防止在图像内产生失效数据线。这些传感器缺陷的排除,并不需要直全直美,通过计算机数据处理可从这些传感器获得的数据进行‘最佳推测’。高反差样品检查时,这些缺陷将在最终的分析图像中显现,妨碍视觉观察分析。

X射线图像内含有的象素越多,分析图像的细节越加清晰,这样可在低放大倍率条件下,对BGA或其他器件进行分析。由此可使用单个图像复盖被检查部位,能加快检测速度,又不会对检测的完整性折衷处理。

两种数字探测器的分辩率存在的少量差别是难以观察到的,因最终图像经过计算机处理,增强来自探测器的图像信息,在模拟或数字监视器上显示。

4. CMOS平面探测器的‘装仓’技术

数字CMOS平面探测器的最大区别是帧速,既在探测器上截获图像的速度。模拟与数字倍增器能以每秒25帧,实时截获图像。CMOS平面探测器仅能以大约每秒4帧速度截获图像。这是由于在样品检查时,发送的低强度X射线信号,光二极管阵列响应时间延迟所造成的。光二极管阵列在发送一个可接受的图像之前,必须建立足够的电符。在X射线检查系统,使用CMOS平面探测器,为提供保征操作者观察的充分细节图像前,数据的获得需等待几秒钟的时间。与数字Ⅱ相比,获得同样质量的一帧图像,CMOS平面探测器则需花费6倍时间。在X射线检查系统,此延迟转为在检查过程样品移动中的延迟。

CMOS平面探测器使用‘装仓’技术,提升帧速达4倍之多。虽然帧速提升到接近实时,但这仅仅是每一个周期内,在阵列的部分单元(即;0.25)通过更新截获信号实现的,也就是在每个周期发送少量信息。即使数据截获速度提升,但从全部象元获得供分析的图像所需时间仍然一样。

如使用‘装仓’技术,产生的图像分辩率是其标准值的一半(如80lp/cm,降到40 lp/cm。)由此可见‘装仓’没有增加多大好处,使用数字图像倍增器在实时截获与显示数据不需要‘装仓’。

  5. 

需要进行X射线检查的器件与特征尺寸不断缩小,为改进BGACSP与其他器件的X射线检查质量,下一步是使用配置数字探测器的X射线检查系统。

图像尺寸,分辩率与灰度级性能的提高,这些探测器经常能在低放大倍率条件下获得高质量检测,在增加产量同时提供更好质量的全部测试。

数字CMOS平面探测器,两种数字探测器都可用于X射线检测系统。经技术的改进,CMOS平面探测器不久将具有更高的分辩率与快速检测特性,为此目的,CMOS硅片上的阵列单元间距必须减小,效能必须提高,更重要的是价格必须下降。

 
 
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