Harbin Institute of Technology
电子封装创新实验
说明书
院 系： 材料科学与工程学院
班 级： 1329201班
姓 名： 王琦瑗
20kv高压直流电源
学 号： 1132920103
指导教师： 张威
实验时间： 2016.10.28
PCB虚焊焊点的红外无损检测
一、 实验目的
1. 了解红外无损检测的原理
2. 掌握红外无损检测的实验方法和实施方式
二、 实验原理
随着电子技术的飞速发展，封装的小型化和组装的高密度化以及各种新型封装技术的不断涌现，与此同时对电子器件装配可靠性的要求也越来越高。如今在电子封装可靠性测试行业中常用的检测方法有人工目检，在线测试，功能测试，自动光学检测等。红外无损检测技术作为一种新型的检测手段，具有准确、直观、快速、无破坏性等优势。它依据红外辐射定律及热传导原理，借助于红外成像技术将物体辐射的能量转变为可见光图像，通过对红外热像图的分析，来判定内部是否存在缺陷。本文将红外无损检测技术应用到电子器件 焊点的虚焊检测上，使用有限元软件对检测过程进行了模拟，给出了缺陷存在的判断条件，并对缺陷位置及尺寸大小的确定进行了研究。
红外无损检测方法按引起温差的方式分为主动式(Active)和被动式(Passive)。主动红外无损检测是指对被测目标通过加热注人热量，使被测目标失去热平衡，在其内部温度尚不均匀、尚具有导热过程中进行的红外检测。被动红外无损检测是利用被测目标的温度与周围环境温度不同的条件，在被测目标与环境的热交换过程中进行的红外检测。目前广泛使用的是主动式加热法。 在主动加热中，根据热量注人的方式不同又分为脉冲热像法、锁相红外技术、阶跃脉冲加热法。下面将对三种红外无损检测技术的原理做相应介绍。
脉冲热像法是研究最多和最成熟的方法，也是使用最广泛的方法。物体内部出现缺陷时，其表面的热场会发生变化。因此，通过接收来自物体表面的热波，就可以对物体内部的状态作出判断。但是，当物体与周围介质的温差较小或基本处于同一温度时，必须人为提高物体表面的温度，从而能有效克服周围介质的影响。用一束脉冲强热流(可认为是函数)照射试件，试件表面单位面积计收热能为一维热传导方程为:
式中: k—热传导系数;T—温度;p—密度;t—时间;c—比热
应用边界条件求解方程得到试件无损处温度为:
除水器
当热波传播到试件内部缺陷处时，将受到阻碍并反射传播，这样缺陷部分对应的表面温度随时间变化关系为:
进而得到表面温度差:
所以，对试件进行脉冲加热后，只需用红外无损仪监测时间表面温度场分布即可判断试件
中有无缺陷。求微分，可得温度差峰值对应的时间为：
抽滤装置
峰值时间的意义在于能计算出缺陷距表面的深度。
脉冲热像法虽然简单，但存在以下不足：
格栅井（1）缺陷探测深度有限而且温差小；
（2）对热源的均匀性要求甚高。经验表明最小可探测缺陷的半径至少是缺陷深度的l—2倍。实际检测时，需要用到信号处理和图像处理技术，如图像边缘自动检测与增强、任意点的辐射率自动校正、红外无损序列图的比较运算等。也有通过后处理的方法对热图进行研究，如小波变换和神经网络[的方法。
锁相法由德国斯图加特大学G. Busse教授提出。原理如下图：
红外相位无损检测技术原理的主要内容是采用调制信号发生器来控制光源的强度，光源的强度按正弦规律变化，光源的热辐射将对被测物体加热，此时热图像的采集与加热在构件的同一侧，当被测物体材料表面或内部存在缺陷时，外激励热源在材料内部产生的热流的扩散过程中出现不均匀性，在缺陷和无缺陷处形成温差，由红外热相仪对被测物体的热波辐射进行探测，采用数字锁相技术在加热周期的特定时刻采集多幅热图像，同时进行热图像信号的重构，得到被测物体表面与内部温度变化信号，并提取被测物体表面温度的相位图和幅值图，然后根据相位图和幅值图判定缺陷尺寸与位置。
脉冲相位热像法由加拿大Laval大学Maldague教授提出，脉冲相位法克服了脉冲热像技术
对加热均匀性的严格要求，碎花刀刀Lock-in技术处理时间较长的局限，将两者相联系建立起新的热像方法。对脉冲热像整个过程的温度，通过傅里叶变换提取温度波动的相位信息，与调制技术相比，一次脉冲测试试验可获得多个频率下的检测结果，在合理的采样间隔和采样时间下，可得到完整的相位变化曲线，可通过相位差定义有损区域，并对脉冲激励下温度变化做相应时域频域分析。从分析结果中获得幅值与相位信息。
三、 操作结果
实验针对标准PCB板上一系列虚焊程度不同的焊点实施红外无损检测试验，在激光焦点标记与PCB板上的焊点对准之后，利用极短时间内施加的红外热源加热焊点，同时用红外热相仪收集记录焊点温度变化情况并实时将焊点不同区域的温度曲线显示在电脑显示屏界面以供实验者迪比。试验中我们得到以下结果。（图片结果按照焊点虚焊程度从小到大排列）
可见随着虚焊程度增大，焊点不同区域的峰值温差也随之增大。并且当虚焊区域体积仅为焊点体积的20%时峰值温差依然可以达到2℃左右，这充分说明了红外无损检测是一种灵敏度高、成本低、实施灵活的缺陷检测手段。
四、 思考题
1. 红外热源功率对测试结果有何影响？
答：随着红外热源功率的增大，焊点不同区域的温度都会有所升高，但由于虚焊除热阻大，
亮晶晶眼贴
热流难以传导，所以焊点不同区域的峰值温差也会变大。所以提高热源功率相当于提高了红外无损检测的灵敏度，使之可以检测出更小虚焊程度的焊点。
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