徐麗霞，劉麗霞，楊耀東，周雙鋒，趙海泉，高 靜

基于趨勢分析法的虛焊缺陷熱像數(shù)據(jù)處理技術(shù)

徐麗霞，劉麗霞，楊耀東，周雙鋒，趙海泉，高 靜

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

針對現(xiàn)有檢測手段難以解決的外觀正常、又有電氣連接的電子產(chǎn)品虛焊類缺陷的問題，本文采用脈沖紅外熱像檢測方法獲取溫度數(shù)據(jù)，引入趨勢分析法建立了虛焊類缺陷熱像數(shù)據(jù)擬合曲線特征參量與不同虛焊程度缺陷之間的對應(yīng)關(guān)系，成功解決了過余溫度信號中難以辨識背景噪聲和焊點缺陷信號的問題，提高了熱像信號的分辨率和信噪比。

脈沖熱像；虛焊焊點；趨勢分析

0 引言

在我國軍事及航天事業(yè)中，電子部件的質(zhì)量可靠性是武器裝備有效發(fā)揮作用的核心關(guān)鍵，焊點是電路板的一種典型組成單元，是航空、航天器電源結(jié)構(gòu)中傳遞電信號，提供機械連接的結(jié)構(gòu)單元，其質(zhì)量優(yōu)劣對于武器裝備的壽命及服役可靠性也至關(guān)重要[1-2]。焊點虛焊是電路板生產(chǎn)過程中的一種常見缺陷，會給電路的使用帶來重大隱患。因此在焊點檢測中，虛焊缺陷的有效檢出對于武器裝備的服役特別重要[3]。紅外熱像檢測主要依靠過余溫度進行虛焊類缺陷辨識，但虛焊類缺陷對應(yīng)的過余溫度信號與正常焊點差別較小，導(dǎo)致焊點虛焊缺陷本征熱阻信號難以辨識；此外，背景熱輻射干擾較大，單純放大或降倍的方法，可能會造成缺陷信息淹沒或丟失，增大虛焊本征信號的提取難度。因此需要對焊點的溫度時間變化數(shù)據(jù)進行一定程度的處理，降低噪音及激勵不均的影響，才能建立虛焊缺陷信息與熱參數(shù)之間的有效聯(lián)系[4-7]。數(shù)據(jù)處理得到的數(shù)學(xué)特征參數(shù)，能夠更加有效地反映虛焊特征。溫度信號趨勢分析法在復(fù)合材料的紅外無損檢測上已經(jīng)有所應(yīng)用，并取得良好的效果[8-9]，但仍未應(yīng)用于焊點檢測。由于焊點面積較小且排布密集，直接套用趨勢分析的數(shù)據(jù)處理的參數(shù)和工藝流程難以獲得良好的效果。因此，研究紅外圖像序列趨勢分析處理算法對于獲取虛焊特征信息十分重要。

本文采用紅外熱像方法獲取激光激勵焊點表面的時間溫度數(shù)據(jù)，通過分析虛焊缺陷和溫度時間數(shù)據(jù)擬合特征參量之間的關(guān)系實現(xiàn)了虛焊缺陷的有效識別。

1 設(shè)備及試件

1.1 檢測設(shè)備

根據(jù)焊點虛焊試驗需求，自研紅外熱像自動化檢測平臺，如圖1所示。試驗臺為大理石臺面并鋪設(shè)整體電路；上方為帶有遮光玻璃的可拆卸式窗口，能夠在直接觀察試驗過程的同時保證紅外熱像儀不受外界光線的干擾。平臺內(nèi)部包含600mm×600mm二維移動平臺，808nm半導(dǎo)體激光器、中波制冷性紅外熱像儀、電路板的夾裝結(jié)構(gòu)以及用于輔助試驗的電子顯微鏡、溫度傳感器、散熱設(shè)備等。

圖1 紅外熱像自動化檢測平臺

1.2 試驗參數(shù)

為保證試驗的合理性及可重復(fù)性，試件、激勵裝置、熱像儀之間的距離在逐點試驗過程中保持不變，優(yōu)化后的試驗參數(shù)設(shè)置如下：采集頻率50Hz、激光激勵功率5W、激光光斑尺寸1.5mm×0.5mm@300mm、激光加熱時間200ms。

1.3 試驗過程

首先制定檢測計劃包括設(shè)定檢測對象參數(shù)、選擇檢測焊點和定位，建立激光器加熱功率、時間等參數(shù)。定位至首個檢測點；執(zhí)行掃描計劃逐點檢測；然后執(zhí)行檢測計劃，激光加載源按照檢測計劃中指定的參數(shù)進行熱加載，紅外熱像儀進行數(shù)據(jù)采集；最后對采集到的紅外熱像圖進行處理、分析。

1.4 人工預(yù)制缺陷對比試件

在印制電路板上設(shè)計缺失相應(yīng)比例大小的焊盤并用網(wǎng)焊阻焊劑來模擬對應(yīng)比例的虛焊缺陷，焊接過程中焊料與阻焊劑不浸潤導(dǎo)致焊料和焊盤之間會形成一層空氣間隙，難以融合成合金，焊料只是簡單地依附在焊盤上，缺陷試件設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 焊點虛焊缺陷設(shè)計

提供的焊點類型為PCB印刷電路板上的表面貼裝電子元器件，尺寸約為2mm×0.8mm，且同一塊PCB印刷電路板上有較多的同類型貼裝電子元器件，其相互之間因間隔較寬故影響可以忽略不計。根據(jù)試驗方案設(shè)計，可以分析簡化出焊點模型的主要示意圖，如圖3所示。

1.5 熱像數(shù)據(jù)采集

本文所使用的試驗數(shù)據(jù)為同一批次下電路板的200余個焊點試驗結(jié)果。由于設(shè)備之間的通訊、設(shè)備自身的誤差以及試驗條件的影響，試驗中設(shè)定的物理參數(shù)有可能存在一定的誤差值，但可作為先驗參數(shù)進行參考。

采集到的熱像序列在讀取后顯示的圖像較大，截取典型加熱部分畫面如圖4所示。對提取獲得的焊點平均溫升曲線進行進一步的處理，并設(shè)置閾值條件進行判別，剔除無法使用或誤差較大的試驗數(shù)據(jù)，保留可以進行焊點虛焊檢測的正常試驗數(shù)據(jù)。首先對同一批次獲得的試驗數(shù)據(jù)提取出的焊點平均溫升曲線進行繪圖，如圖5所示。雖然大部分試驗數(shù)據(jù)的變化程度和變化趨勢相似，但存在一些非正常的試驗數(shù)據(jù)需要進行處理。

1? electron components（SMT）；2? Solder joint；3? Pseudo soldering（Air void）；4?copper layer（pad & wire）；5? Circuit board（PCB）

圖4 焊點熱像原始圖

圖5 同一批次試驗數(shù)據(jù)焊點溫度隨時間變化曲線

溫度變化程度異常包括兩種情況：一是激光器光斑位置打偏，沒有對準(zhǔn)焊點，激勵位置落于電子元器件或PCB電路板上，表現(xiàn)為激勵開始時刻溫度迅速急劇升高，甚至有可能超過規(guī)定的溫度上限80℃；二是溫升過低，或是曲線變化過于平緩。溫度過高、溫升過高或過低通過設(shè)定相應(yīng)的閾值剔除。而溫度波動的異常無法直接采取溫度閾值方式進行異常判斷，需要利用導(dǎo)數(shù)、方差等方式進行挑選。

對焊點平均溫升曲線進行求導(dǎo)運算，設(shè)定溫升速率允許的最大值為10，超過該值的試驗數(shù)據(jù)即為異常。同時，計算焊點平均溫升曲線的整體方差，將方差小于1且曲線全段溫度變化率不超過0.5的試驗數(shù)據(jù)進行剔除。在實際的操作過程中，檢測到出現(xiàn)溫升速度過快的異常數(shù)據(jù)如圖6所示，可以看出大多數(shù)異常數(shù)據(jù)存在溫度的斷崖式變化；而溫升過低、曲線平緩的數(shù)據(jù)常常也伴隨著焊點加熱結(jié)束時間無規(guī)律，予以剔除。

圖6 溫度變化程度異常的試驗數(shù)據(jù)

對經(jīng)過篩選后的正常焊點試驗數(shù)據(jù)使用趨勢分析法進行數(shù)據(jù)處理，提取出與焊點虛焊程度相關(guān)的特征參數(shù)。

2 趨勢分析方法

2.1 趨勢分析方法檢測原理

激光激勵焊點后，虛焊缺陷焊點與焊接良好的焊點的熱傳導(dǎo)有所差異，在焊點的表面溫度隨時間變化的趨勢上得以體現(xiàn)，即加熱結(jié)束開始降溫時的溫度變化率。為求得溫度變化率，則需要對焊點表面降溫段曲線進行擬合，分析提取可以表征焊點虛焊信息的溫升趨勢的特征參數(shù)。

脈沖激勵紅外無損檢測試驗過程中針對過余溫度-時間曲線進行溫升趨勢分析的常用試驗數(shù)據(jù)處理方法有多項式擬合法、多項式擬合求導(dǎo)法、對數(shù)多項式擬合及求導(dǎo)法等。

達(dá)到最小值，最終的擬合結(jié)果為：

按照(3)式對數(shù)據(jù)進行擬合，并尋找擬合曲線上與虛焊程度相關(guān)的參量征虛焊缺陷。

2.2 趨勢分析法的仿真數(shù)據(jù)分析

由圖5可知，不同焊點受激勵后溫升曲線趨勢類似，因此先對單一曲線進行趨勢分析法分析，選擇較佳的擬合方式后再對所有數(shù)據(jù)進行分析，提取特征參數(shù)。對仿真數(shù)據(jù)典型溫升曲線降溫段進行3階～8階多項式擬合，擬合結(jié)果如圖7所示。

圖7 仿真數(shù)據(jù)降溫段3階至8階多項式擬合結(jié)果

表1中列出了各階多項式擬合的3類評價指標(biāo)，包括誤差平方和（Sum of Squares of Errors，SSE）、確定系數(shù)（R-Square）以及均方根（Root Mean Square，RME）。其中，SSE和RMSE隨階次的升高逐漸減少，而R-Square也在不斷上升至接近1，表明多項式擬合階次越高，擬合結(jié)果越好，殘差越小。但即便是以8階多項式擬合，其R-Square仍不足0.95且殘差數(shù)量級依然較高，可見多項式擬合結(jié)果不佳。從圖7中也可以看出，各彩色擬合曲線在曲線的開始和末端與原始溫度序列相距雖逐漸縮小但仍然有一定差距，且在放大圖中也可以看出其空隙較大。

表1 仿真數(shù)據(jù)降溫段3階至8階多項式擬合評價指標(biāo)

雖然多項式擬合結(jié)果不盡人意，但利用對數(shù)多項式擬合則有較好的擬合效果。在對溫度序列取對數(shù)后，利用五階多項式進行擬合已經(jīng)十分接近原始序列，如圖8所示。

圖8 對數(shù)五階多項式擬合

其擬合評價指標(biāo)SSE為0.5218，R-Square達(dá)到0.9924，RMSE降低至0.0506。雖然經(jīng)過取對數(shù)操作也會使得殘差的數(shù)量級降低，但不顯著。因此，對數(shù)多項式擬合可以大幅度降低殘差數(shù)量級，且其確定系數(shù)已經(jīng)大于0.99，具有較好的擬合結(jié)果。

對對數(shù)五階多項式擬合結(jié)果進行求導(dǎo)，取溫度變化率絕對值最大值，即加熱結(jié)束時刻的降溫速率，繪制與虛焊程度的散點圖，如圖9所示，可以看出，降溫速率最大值與虛焊程度之間存在正相關(guān)關(guān)系，可以作為虛焊的特征值。

圖9 擬合降溫速率最大值與虛焊程度散點圖

2.3 趨勢分析法的試驗數(shù)據(jù)分析

采用微焦點激光激勵焊點，并采用紅外熱像儀采集焊點表面的熱像序列圖，激勵開始的時刻標(biāo)記為0s，正常焊點和虛焊缺陷焊點的時域溫度變化（0.2s、0.4s、0.6s、0.8s、1.2s、1.6s）熱像圖如圖10和圖11所示。熱像圖中的橢圓區(qū)域的中心為焊點的位置，即激勵區(qū)域，熱像圖中的右側(cè)的溫度標(biāo)識顯示的是熱像采集區(qū)域內(nèi)的峰值輻射溫度。未激勵前的熱輻射溫度峰值為26.8℃，可以看出焊點區(qū)域并非熱輻射的峰值溫度，未激勵前的焊點區(qū)域溫度低于26.8℃，隨著激光激勵，熱量注入焊點區(qū)域，焊點區(qū)域在激勵時段溫度是上升的，在激勵結(jié)束點0.2s的時刻溫度達(dá)到最高值，激勵結(jié)束后激勵位置隨熱量的擴散而呈現(xiàn)溫度逐漸下降的趨勢，而由于激勵位置的微小偏差以及焊點結(jié)構(gòu)的微小差異導(dǎo)致不同焊點的溫升和變化趨勢有所不同，因此單純依靠時域溫度變化難以分辨焊點內(nèi)部是否存在虛焊缺陷。不同時間點原始熱像圖中可以看到熱量逐漸沿著元器件和導(dǎo)線方向擴散，因此通過熱像圖目視觀測熱場變化亦難以分辨正常焊點和缺陷焊點之間的差異。

圖10 不同時間點的正常焊點原始熱像圖

圖11 不同時間點的虛焊焊點原始熱像圖

對單一的試驗數(shù)據(jù)曲線進行趨勢分析法分析，試驗數(shù)據(jù)降溫段3階～8階多項式擬合結(jié)果如圖12所示。擬合結(jié)果顯示擬合效果較好，曲線較為平滑。

圖12 試驗數(shù)據(jù)降溫段3階～8階多項式擬合結(jié)果

表2列出了試驗數(shù)據(jù)各降溫段各階次擬合的評價指標(biāo)。與表1對比可以發(fā)現(xiàn)，試驗數(shù)據(jù)的多項式擬合結(jié)果優(yōu)于仿真數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果，其SSE和RMSE降低了若干個數(shù)量級，R-Square也十分接近于1，對應(yīng)圖10中各擬合曲線已經(jīng)基本與原始溫度序列重疊。同時，試驗數(shù)據(jù)的多項式擬合結(jié)果也遵從階次越高擬合結(jié)果越好的規(guī)律，可選取七階多項式進行擬合。同樣的，對試驗數(shù)據(jù)也進行對數(shù)多項式擬合并分析，如圖13所示。

其擬合評價指標(biāo)SSE為0.0386，R-Square達(dá)到0.9983，RMSE降低至0.0174，與七階多項式的擬合結(jié)果十分接近。值得注意的是，仿真數(shù)據(jù)采取的是對數(shù)五階多項式進行擬合，而試驗數(shù)據(jù)僅采取對數(shù)三階多項式就已經(jīng)有較好的擬合結(jié)果。

表2 試驗數(shù)據(jù)降溫段3階～8階多項式擬合評價指標(biāo)

圖13 對數(shù)三階多項式擬合

對試驗數(shù)據(jù)的七階多項式擬合以及對數(shù)三階多項式擬合結(jié)果進行求導(dǎo)，取其絕對值的最大值繪制與虛焊程度的散點圖，如圖14所示。

由圖14可知，七階多項式擬合與對數(shù)三階多項式擬合的絕對值的最大值與虛焊程度之間基本存在正相關(guān)關(guān)系。對比圖14(a)和(b)可知，七階多項式擬合結(jié)果更為緊湊，對數(shù)三階多項式擬合結(jié)果出現(xiàn)區(qū)間擴大及略微模糊化的特點。因此，七階多項式擬合的絕對值的最大值更適于作為不同程度虛焊缺陷判定的特征參數(shù)，20%虛焊程度的缺陷辨識度較低而40%和60%閾值分割較為明顯，大致可以劃分出閾值進行虛焊程度的判別。七階多項式擬合的絕對值最大值能夠摒除信號噪聲，有效表征虛焊程度。

3 結(jié)語

本文提出了基于趨勢分析方法的虛焊缺陷紅外熱像數(shù)據(jù)處理技術(shù)。通過對熱像數(shù)據(jù)的分析，從趨勢分析擬合結(jié)果中選擇了具有代表性的趨勢走向擬合方式，并繪制了虛焊程度散點圖尋找能夠表征虛焊程度的特征值及其之間的關(guān)系。結(jié)果顯示提取的七階多項式擬合絕對值的最大值特征參數(shù)與虛焊程度之間存在正相關(guān)關(guān)系，能夠有效判別40%和60%閾值虛焊缺陷。

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Thermal Image Data Processing Technology of Pseudo Soldering Based on Trend Analyzing

XU Lixia，LIU Lixia，YANG Yaodong，ZHOU Shuangfeng，ZHAO Haiquan，GAO Jing

(Beijing Satellite Manufacturing Co., Beijing 100094, China)

Pseudo soldering with a normal appearance and electrical connections cannot be effectively detected by the existing detection technology. Pulse infrared detection technology was applied, and the trend that analyzes processes was adopted to establish the relationship between the degree of pseudo soldering and characteristic parameters of the infrared fitting curve. It is difficult to distinguish the background noise, and the signal of the pseudo soldering from excess temperature was successfully resolved. Results show that the resolution and signal-to-noise ratio were improved.

pulse infrared thermal, pseudo soldering, trend analyzing

TN219

A

1001-8891(2022)09-0979-07

2020-12-16；

2021-11-24.

徐麗霞（1986-），女，高級工程師，主要從事航天器結(jié)構(gòu)紅外熱像、超聲波無損檢測技術(shù)研究。E-mail：xulixiabuaa@163.com。