PCB检测中的红外热成像检测仪的设计

l18 机电技术 2011年6月 PCB检测中的红外热成像检测仪的设计 祁芳芳 (内江职业技术学院电气工程系，四川 内江 641100) 摘 要：主要介绍红外热成像检测系统的工作原理和伺服系统的硬件设计，设计出的红外热成像检测系统能够用于 PCB板在线生产的检测，能提高 PCB板的生产质量。由于物体发热会产生热辐射，通过热辐射成像仪采集这种热成像， 与合格品热成像模板图对比，来判断被测板材是否合格，这种检测方式为非接触式无损检测，硬件获取信息，软件处理 信息，其检测速度更快，判断结果可靠性更高。 关键词：PCB板；红外热成像；伺服系统；在线检测 中图分类号：TN219 文献标识码：A 文章编号：1672—4801(2011)03—118-02 印刷电路板 PCB(Printed Circuit Boards)制 造的复杂程度在过去的 6O年内急剧增加，从基于 100％ 通孔技术的简单双面板到混合物通孔、 面贴装、芯片装配等复杂的多层电路板，集成技 术的飞速发展带来了 PCB板制作技术的飞速进 步，同时也给批量生产 PCB板的制造商带来了检 测上的困难，由于集成后的电子元器件密度更大， 电路集成也越来越复杂，也使得 PCB板更容易出 现缺陷和失效。 PCB的检测最早采用人工检测的方式，即目 测电路板缺陷，用简单的仪表测量线路的通断， 随着高密度电路布线和高产量的要求，面对重复、 单调、严格的检测任务，人工检测方式已不能满 足可靠性的要求，AOI(自动光学检测系统)无 法辨认电子元件是否存在缺陷或隐性缺陷；ICT (电路在线检测)通常主要检查在线的单个元器 件以及各电路网络的开、短路情况⋯，无法测试 一 个完整的电路板；BGA也无法检测到电路板的 特殊部分 (如隐性连接处)【2]；传统的测试手段 更是无法检测“短路”、“脱层”、“元件挤压”等问 题。PCB红外热成像在线检测仪使用的是热成像 技术，是一种可以用于设计过程中检测的技术， 通过伺服系统与红外成像技术结合作为核心的红 外成像检测仪可以适用于生产过程中任一环节， 有效的降低PCB废品率。 1 红外热成像系统检测原理 PCB板种类繁多，通常情况下用铜或锡电镀 形成过孔，过孔主要与绝缘材料及板内导线相连。 正常过孔镀锡均匀，孔内空气直接与金属接触， 而缺陷过孔镀锡不均匀，中间有断缝，即无孔化 开路缺陷，孔内空气与金属和绝缘材料接触。当 PCB板经稳恒热源主动加热一段时间后，撤去热 源并立即放在冷却台上，由于金属锡与绝缘材料 的导热系数不同，导致孔内空气的散热过程不同， 而散热过程主要包括传导、对流和辐射。所以正 常过孔和缺陷过孔的辐射功率不同，缺陷过孔内 空气的散热速度小于正常过孔内空气的散热速度 p] 。 红外热成像技术就是通过接受物体的红外辐 射，并将这样的红外信号转换为电信号，在进一 步转换为数字图像信号，通过与正常合格PCB板 的热成像图对比，经过相应软件的分析来判断 PCB板合格与否。 2 红外热检测仪系统结构设计 根据红外热成像检测仪的检测原理，设计 PCB检测仪 自动监测系统，主要包含电气部 分、红外热成像部分、系统软件部分和工作台伺 服系统等几大部分，其结构如图 1所示。红外成 像检测系统主要由主控计算机、运动控制卡、图 像卡、I／0接口板等组成，通过 PLC实现系统的 自动化控制，也保证运动的准确性和快速响应性。 热成像部分主要包含加热系统、红外热成像 记录仪和扩展功能。扩展功能主要用于将主控计 算机的各项执行命令送到相应电气设备，当光电 传感器检测到电路板被传送到位后，信号送到主 控计算机中，计算机发出启动命令打开恒温加热 系统；电路板由传送带送至加热系统处被加热而 发出热辐射，加热温度恒定由系统设定，可更改， 但应与合格品多次热成像加热温度相同：然后电 作者简介：祁芳芳 (1982一)，女，助教，工学硕士，主要从事机电一体化技术教学与科研。 第 3期 祁芳芳：PCB检测中的红外热成像检测仪的设计 l19 路板会送至红外热成像系统处，由红外热成像记 录仪采集记录 PCB板材的热成像信息，这些信息 会通过数据线送到计算机处，进行下一步处理。 图 1 红外热成像检测系统整机框图 伺服系统是用来控制被控制对象的某种状 态，使其能自动地、连续地、精确地复现输入信 号变化规律的一种自动控制系统L4J。由于目前集 成技术不断发展，PCB板上电路相对密集，并且 对电路通路质量要求更高，为了能够取得电路更 细节部位的成像信息，要求操作台x、Y、A3个 轴方向的重复定位误差必须控制在一定的范围 内，这里采用伺服电机与滚珠丝杠联接用于精准 定位。滚珠丝杠具有丝杠与螺母间隙很小，螺距 精度很高的特点，能保证丝杠的旋转与螺母移动 的距离有线性关系，保证了数控机床的准确性， 同时滚珠丝杠摩擦系数小，需要的伺服电机功率 小。伺服系统硬件设计如图2所示。 触摸屏 PLC 伺服放大器 图2 伺服系统硬件设计 3 红外热成像检测仪功能与应用领域 3．1红外热成像检测仪主要功能 主控计算机是整个控制系统的核心，通过热 成像技术采集到的数据被送到这里，这些数据通 过特定的软件进行处理可以再现被检测 PCB 的 影像，并通过分析可以判断出PCB是否出错，最 后向检测系统的执行机构部分发出指令，完成指 示、报警、记录、分捡等功能。 热成像系统用来产生和获取生产线上电路板 的热成像信息，检测 PCB在制造过程中的缺陷或 缺陷防止，进行过程控制，通过改正工艺来消除 或减少缺陷，监控具体生产状况，并为生产工艺 的调整提供必要的依据。如进行贴片质量检验、 印刷质量检验、焊接质量检验及多层陶瓷基片封 装质量检验等。这是一种无损在线检测技术，能 够快速定位缺陷。 3．2红外热成像检测仪应用场合 红外热成像检测仪目前可以用在以下场合： (1)在线监测：通过在线检测系统监视出场 厂电路板的合格状况，如果发现不合格品，能够 及时的分拣挑出，避免不合格品流入市场，影响 厂商信誉。 (2)优化 PCB设计：通过热成像检测系统能 够检测到 PCB板材在使用过程用的热状况，为设 计师分析热源解决热问题、合理安排期间提供合 理依据，从而改善 PCB设计。 (3)检修返工：生产过程中部分 PCB板存在 这样或那样的问题而被退回，这样的板材大部分 通过返工可以正常使用，但是一般情况下工人难 以快速发现问题所在，如果用红外热成像仪则能 够通过热成像发现短路、断路等各种问题。 4 结论 实验证明通过红外热成像检测仪可以看到零 部件分类缺陷和元器件贴装位移信息，通过检测 设备的监视器可以观察产品工艺，当被放置在生 产线上时，能生成宽范围的工艺控制信息图来检 测 PCB板材质量，因此红外热成像检测设备在大 批量的 PCB生产过程中将会得到广泛的应用。 参考文献： [1】李华．电路板测试的新视野【J]．国外电子测量技术，2006(3)：1-4 [2】刘杰．BGA焊接后非破坏性检查[J]．现代表面贴装资讯．2009(6)：19-21． [3】刘文霞，张焱，沈京玲，等．红外热成像技术在 PCB板过孔质量检测中的应用[J】．激光与红外．2010(3)：254—256 [4】胡祜德．伺服系统原理与设计 [M]．北京：北京理工大学出版社，1999．