基于層析成像技術(shù)的PCB板缺陷檢測系統(tǒng)
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劉西鋒1,2，胡玉薇1，趙力行1，王曉紅2
（1．北京自動化技術(shù)研究院技術(shù)部，北京 100009;2．清華大學(xué)微電子學(xué)研究所，北京 100084）
摘要：針對目前工業(yè)領(lǐng)域?qū)Χ鄬与娐钒迦毕輽z測高效高精度的要求，設(shè)計了一種基于分層層析成像技術(shù)的多層電路板缺陷自動檢測系統(tǒng)，并對電路板中常見的缺陷類型進行分析和研究。針對不同的缺陷類型提出了不同的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)識別方法，并對缺陷類型進行了相應(yīng)的標記，解決了傳統(tǒng)DR( Digital Radiography)和傳統(tǒng)X射線CT (Computed Tomography)技術(shù)對多層電路板無法進行內(nèi)部電路分析的問題。將分層層析成像技術(shù)應(yīng)用于多層電路板的缺陷檢測，對檢測系統(tǒng)性能的改進具有重要的意義。
關(guān)鍵詞：層析成像；多層電路板；缺陷檢測；數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué) 中圖分類號：TP274+.4
0引言
隨著電子工業(yè)和表面貼裝技術(shù)的發(fā)展，對PCB制造工藝要求也越來越高，PCB板正向著小元件、小體積、高密度、細線條、多層板的方向發(fā)展。隨著PCB板制造工藝的改進，對其檢測技術(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的人工視覺檢測逐漸被自動光學(xué)檢測(AOI)、自動X射線檢測( AXI)等新興檢測技術(shù)所代替。對于多層印刷電路板的仿制與檢測，AOI技術(shù)僅僅能檢測產(chǎn)品的外部特性，在生產(chǎn)過程中每完成一層的生產(chǎn)需要進行一次檢測。較早應(yīng)用的X射線DR( Digital Radiography)檢測盡管可以提供高清晰度的透視圖像，但由于深度方向上的信息重疊而無法對結(jié)構(gòu)缺陷進行定位。隨著X射線CT技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的出現(xiàn)，研究者們也將類似的方法ComputerLaminography（簡稱CL）應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域部件缺陷的檢測。德國的S．Gondrom等人將計算機層析成像技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)板狀結(jié)構(gòu)的檢測，可檢測出鋁殼焊接缺陷，以及印刷電路板不同斷層的線路分布。Fujian等人也研究了計算機分層層析成像技術(shù)，采用非對稱旋轉(zhuǎn)掃描和濾波反投影層析成像的方法對內(nèi)存條和CPU芯片等進行了分層成像。由于CL技術(shù)在檢測多層部件內(nèi)部缺陷方面具備突出的優(yōu)勢，因而在電子行業(yè)日益受到重視，國際上的知名檢測設(shè)備制造商紛紛對其進行開發(fā)，但國內(nèi)目前對于此技術(shù)在多層電路板缺陷檢測上的分析和應(yīng)用軟件還比較少。
本文利用計算機分層成像技術(shù)得到多層印刷電路板各層圖像，然后對電路板各層圖像分別處理，最后針對各缺陷不同的特點分別采用不同的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法對多層印刷電路板的缺陷檢測進行研究。
1 多層電路板缺陷檢測系統(tǒng)設(shè)計
1.1 檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
使用X射線層析成像檢測系統(tǒng)對多層印刷電路板的缺陷進行識別和判定的過程如圖1所示。由X射線圖像采集設(shè)備采集到PCB板的投影數(shù)據(jù)，投影數(shù)據(jù)通過各種算法進行層析成像，得到PCB板的各層斷層圖像，這樣可以分別對PCB板的每一層進行圖像增強、去噪、濾波等預(yù)處理，之后分析缺陷特征進行特征提取，最后對存在的缺陷進行識別。
1.2層析成像
本實驗中采用X射線對電路板長寬表面傾斜入射，電路板繞旋轉(zhuǎn)軸等角度(0.30)旋轉(zhuǎn)一周，在厚度方向上得到1 200張的投影圖像。與本文從厚度方向掃描得到的投影相比，傳統(tǒng)的CT設(shè)備對于長寬尺寸大、厚度小的檢測物而言，其掃描投影數(shù)據(jù)靈敏度和空間分辨率要低得多。得到的投影圖像通過板狀結(jié)構(gòu)的濾波反投影FDK( Feldkamp-Davis-Kress)重構(gòu)算法，重構(gòu)出電路板的各層斷層圖像，如圖2所示。本實驗選用的是4層電路板，從圖2中可以看出該方法能夠無損地再現(xiàn)電路板內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)和物理形態(tài)。
1.3 缺陷識別
針對層析后的圖像特點，首先對各層圖像進行了中值濾波，然后采用大津法(OTSU)算法對濾波后的圖像進行分割，最后采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)結(jié)合模式識別的方法進行缺陷的識別和判定。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本運算包括腐蝕、膨脹、開運算、閉運算。利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對分割后的圖像進行開閉運算得到一個標準圖像作為參考。
短路、毛刺缺陷的識別過程如下：首先遍歷分割后圖像的所有連通區(qū)域，將環(huán)形焊盤等連通區(qū)域進行填充，同時將面積較小的區(qū)域去除，以保證空洞等連通區(qū)域被填充，這樣進行形態(tài)學(xué)處理時就不需要考慮空洞缺陷對連通域個數(shù)的影響；然后對處理后的圖像先進行腐蝕，再進行膨脹操作，以消除該圖像上的多余連接部分，實際上就是去除PCB電路板上短路和毛刺缺陷，從而得到一個二值參考圖像；最后將填充后的圖像和二值參考圖像進行異或操作后，通過使用3*3的中值濾波將雜點去除，通過連通區(qū)域個數(shù)變化來判斷缺陷是短路還是毛刺。如果連通區(qū)域個數(shù)增加，則說明此缺陷為短路缺陷；反之，如果連通區(qū)域個數(shù)不變，則說明此缺陷為毛刺缺陷。識別完成后將缺陷位置及名稱在原圖像中標出。
斷路、空洞和缺損缺陷的識別過程如下：運用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法對圖像分割得到的二值圖像進行閉操作，也就是用同一個結(jié)構(gòu)元素先膨脹后腐蝕，可以填充線路斷路、空洞和缺損的部分，這實際上就可以去除PCB線路板上的斷路、空洞和缺損缺陷，從而得到一個二值參考圖像，然后利用圖像對比的方法對分割得到的二值圖像與參考二值圖像進行相減，從而得到形態(tài)學(xué)處理后的缺陷圖像。用這個處理后的缺陷圖像與分割的二值圖像相加，如果連通區(qū)域個數(shù)減少，則說明此缺陷為斷路缺陷；反之，如果連通區(qū)域個數(shù)不變，則說明此缺陷為缺損或者空洞缺陷。缺損和空洞缺陷可以通過分析周圍區(qū)域進行識別，空洞缺陷所在輪廓外圍區(qū)域灰度值均為255，而缺損所在輪廓外圍區(qū)域灰度值有可能是0，識別完成后將缺陷位置及名稱在原圖像中標出。
2 實驗結(jié)果及分析
根據(jù)上述缺陷識別算法，利用Visual C++編寫程序，以實現(xiàn)對4層電路板缺陷的自動檢測和標記。由于采用層析成像技術(shù)對電路板各層分別成像，在缺陷識別和處理的過程中可以對4層電路板分層進行處理。通過上述缺陷識別算法對不同類型的缺陷進行了識別，存在缺陷部位的局部圖如圖3所示。從圖3中可以看出該檢測系統(tǒng)對圖像中的缺陷進行了查找，并在相應(yīng)位置進行了缺陷類型標記，可以檢測出短路、斷路、缺損、空洞、毛刺等缺陷，并通過圖像標記直觀地展示給檢測員。
3結(jié)論
本文采用層析成像和圖像處理技術(shù)開發(fā)了一套多層電路板缺陷檢測系統(tǒng)。由于采用層析成像技術(shù)對電路板內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行層析，使得對多層電路板分層處理成為可能，解決了現(xiàn)有PCB板檢測方式中對于中間層缺陷檢測困難的問題。通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)結(jié)合模式識別的方法檢測出電路板大部分的缺陷并以圖形的方式直觀地顯示，該系統(tǒng)在電路板制造行業(yè)具有較強的實用性。
