三维与二维X射线无损检测技术对比分析研究

三维与二维X射线无损检测技术对比分析研究

王爽

（中国电子技术标准化研究院北京100176）

摘要：本文在分析X射线无损检测基本原理的基础上，对电子元器件领域相关X射线检查标准进行了研究，从放大倍数、图像质量等方面对比分析了三维与二维X射线无损检测技术的优点、缺点和适用范围。三维X射线无损检测技术在复杂封装元器件的检测中有着二维X射线检测方法无可替代的优点。

关键词：电子元器件；无损检测；3DX-ray；CT

引言

随着器件封装水平的不断提高，封装形式逐渐由双列直插封装、四边引线扁平封装等发展成倒装焊、焊球阵列封装、系统级封装等，封装密度变大，在Z方向的尺寸不断扩大，封装形式更复杂。二维X射线检测手段已无法满足。近年来，三维X射线检测技术逐渐成熟，并已逐渐进入电子元器件检测领域，弥补了二维X射线检测手段的不足。

1、X射线无损检测原理及相关标准研究

X射线波长短，具有高空间分辨率、穿透能力强的特点，对材料有广泛的适用性，由于不同材料对其吸收率存在差异，因此常被用于电子元器件内部缺陷检测。X射线检测分辨率取决于射线管尺寸，放大倍数则由X射线光路几何特性决定。

目前广泛使用的电子元器件X射线检测国军标主要有：GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》方法2012、GJB128A-97《半导体分立器件试验方法》方法2076、GJB360B-2009《电子及电气元件试验方法》方法209及GJB4027A-2006《军用电子元器件破坏性物理分析方法》。

其中GJB548B和GJB128A分别针对了集成电路和半导体分立器件给出了检测方法和具体判据。GJB360B中仅给出了试验方法，没有针对具体元件类型给出检测内容，GJB4027A针对GJB360B进行了补充，对电阻器、电连接器、电感器等具体元件给出了检测判据。但随着器件封装水平的提高，目前还没有针对复杂封装器件的X射线检查标准。

2、三维与二维X射线无损检测技术对比分析

表1对比分析了三维X射线无损检测系统与二维X射线实时检测系统的优点、缺点及适用范围。从表中可以看出，这两种检测手段各有优缺点，本文将从以下三个方面进行进一步阐述。

表1三维X射线无损检测系统与二维X射线实时检测系统对比分析

2.1放大倍数

在二维X射线检测中，样品的放大倍数等于射线管到探测器的距离与射线管到样品距离的比值。一般情况下，射线管离样品的距离越近，离探测器的距离越远，获得的图像放大倍数越高，当样品直接放置在射线管表面时，图像的放大倍数最大。因此对于二维X射线实时检测系统，其有效的放大倍数是固定的，由检测系统的极限能力决定，不受样品尺寸变化而影响。

在三维X射线检测中，样品需要旋转360°以获得多个角度的照片，因此需要给样品旋转留有足够的空间，样品最大放大倍数理论值应为：

X=(a+b)/b（1）

其中：a为样品台到探测器的距离；b为样品或夹具半径（取大值）。

可见，三维X射线检测中，最大放大倍数受产品尺寸影响，在实际操作中，因为需要保护样品和射线管，其有效的最大放大倍数还会小于上述值。

2.2图片质量

二维X射线检测是实时成像的，可通过软件实时调整图像的对比度、锐度、亮度以及电压、电流等参数，以获得最优的图像。通过倾斜探测器，可以以一定角度观察样品，但是当样品需要获得较大放大倍数时，有效观察角度变小。对于复杂封装，有些缺陷在垂直样品方向无法暴露，需要倾斜探测器才能观察到，但大部分缺陷会重叠，难以准确区分定位。

三维X射线无损检测系统不是实时成像的，其电压、电流等参数设定好后在检测过程中是不可更改的，同时对比度、锐度、亮度等参数是由软件自动控制，但是在检测过程中可以对样品进行360°的观察，对于生成的三维重构模型可以制作切片观察任一截面。

此外，在三维X射线检测中，图像的质量不仅取决于分辨率和对比度，还取决于信噪比，在重建的三维模型中会出现散射伪影、金属伪影、运动伪影等干扰。

散射伪影是锥形束X射线CT的常见问题。X射线在成像过程中到达探测器的射线分为两部分，一种是初始射线，它形成正确的图像，另一种是由康普顿效应产生的散射射线，它形成了噪声和图像伪影，主要表现为低频条状伪影。

此外，元器件中的金属物质会引起金属伪影，这些伪影降低了断层图像中金属周围的清晰度，对断层结构的判断带来很大的困难。金属物体可导致射束硬化、部分容积或使数据采集电子设备工作超出动态范围而引起伪影。金属伪影形状随着金属物体的形状和密度不同而变化。金属伪影主要表现为大投影数据引起的从金属区域发出的条状伪影。

运动伪影是由于在进行CT扫描的过程中，样本发生运动，从而破坏了投影数据的一致性和完整性，表现为图像的重叠模糊、条状伪影、图像轮廓位移等伪影特征。

伪影的出现会严重影响三维模型的质量，从而影响X射线检测结果。但在二维X射线检测中，由于可以根据图像情况实时进行调整参数，因此出现伪影的状况较少。

2.3图像变形

在二维X射线检测时，当需要获得较大放大倍数时，由于锥束成像的局限性，图像在Z方向会发生变形。图1为焊球阵列陶瓷基板通孔二维X射线形貌，可以看出在焦点中心区域的通孔图像为一个圆柱体的正投影，而远离焦点中心区的通孔，由于X射线是有一定角度穿透通孔的，因此所成的像也是一个倾斜的圆柱体投影，这个问题在检查Z方向尺寸较大的复杂封装器件时尤为明显，且对尺寸的测量有一定的干扰。

图1焊球阵列陶瓷基板通孔二维X射线形貌

而在三维X射线无损检测过程中，样品信息的获取是通过对旋转360°拍摄的多张照片重构获得的，因此锥束成像变形的现象能够很好避免。

3、结论

三维与二维X射线检测技术在电子元器件无损检测中被广泛的使用，对于封装形式较为简单的元器件，二维X射线检测方法可有效快速的检查出其中的缺陷。对于内部结构复杂的元器件，三维X射线检测结果更好。但受技术限制，三维X射线检测技术在检测速度、伪影处理等方面还需进一步研究。

参考文献

[1]GJB548B-2005,微电子器件试验方法和程序[S].

[2]GJB128A-97,半导体分立器件试验方法[S].

[3]GJB360B-2009，电子及电气元件试验方法[S].

[4]GJB4027A-2006，军用电子元器件破坏性物理分析方法[S].