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    重庆时时彩012号码: 一种PCB过孔内壁质量的检测方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201510214044.9

    申请日:

    2015.04.29

    公开号:

    CN104764712A

    公开日:

    2015.07.08

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 21/3581申请日:20150429|||公开
    IPC分类号: G01N21/3581(2014.01)I; G06T7/00 主分类号: G01N21/3581
    申请人: 浙江工业大学
    发明人: 刘恺; 杨力帆
    地址: 310014浙江省杭州市下城区朝晖六区潮王路18号浙江工业大学
    优先权:
    专利代理机构: 杭州斯可睿专利事务所有限公司33241 代理人: 王利强
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201510214044.9

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.08.25|||2015.08.05|||2015.07.08

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种PCB过孔内壁质量的检测方法,包括如下步骤:步骤101:获取待测PCB和标准模板;步骤102:运用太赫兹波成像技术采集待测PCB原始图像和标准模板原始图像;步骤103:对待测PCB原始图像和标准模板原始图像进行阈值化、去噪处理,得到待测复原图像和标准模板复原图像;步骤104:分别计算复原图像的特征函数,获取过孔圆心和孔径信息;步骤105:将标准模板复原图像和待测复原图像的特征信息进行模板匹配运算;步骤106:若匹配运算结果在生产允许误差范围内,则显示检测合格;步骤107:若匹配运算结果超出生产允许误差范围,则显示检测不合格。本发明有效实现对过孔内壁质量的检测、保障PCB产品质量。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种PCB过孔内壁质量的检测方法,其特征在于:所述检测方法包括如下步骤:
    步骤101:获取待测PCB和标准模板;
    步骤102:运用太赫兹波成像技术采集待测PCB原始图像和标准模板原始图像;
    步骤103:对待测PCB原始图像和标准模板原始图像进行阈值化、去噪处理,得到待测复原图像和标准模板复原图像;
    步骤104:分别计算标准模板复原图像和待测复原图像的特征函数,获取过孔圆心和孔径信息,过程如下:
    设半径a的圆孔上任意点P(r,θ)和观察平面上点两点距离L,孔和观察面距离Z,太赫兹脉冲在时间域和空间域的分布均为高斯型,入射波脉冲宽度为T,中心角频率ω,波数k=2π/λ,则

    平面波入射时,入射波光场描述为
    透射波光场描述为考虑光从P到Q传播时间,将E带入到U中时取c为光速,既

    光场强度I=|U|2;
    标准模板复原图像孔圆心及半径数据从标准模板的PCB文件中获??;待测PCB复原图像用8-邻域轮廓提取法获得圆孔边缘轮廓,再用最小二乘法拟合计算圆心坐标与半径;
    步骤105:将所得的标准模板复原图像和待测复原图像的特征信息进行模板匹配运算,过程如下:
    首先进行图像配准,既通过对PCB孔心坐标进行坐标变换,使复原图像坐标 和标准模板坐标相同;
    对于任意二维图像上的点,均可以通过变换矩阵G=g11g12g13g21g22g23001]]>实现对它的几何变换,既x2y21=Gx1y11,]]>其中,子矩阵g11g12g21g22]]>实现了对目标点的旋转变换,子矩阵g13g23]]>实现对目标点的平移变换;
    由于一组对应坐标点确定了2条方程,故通过最少三组对应坐标点确定变换矩阵G;
    以各个孔心坐标为参考点对标准模板和待测复原模板各个孔透射场场强分布进行对比分析,得出任意坐标点上的场强差异;
    步骤106:若匹配运算结果在生产允许误差范围内,则显示检测合格;
    步骤107:若匹配运算结果超出生产允许误差范围,则显示检测不合格。

    2.  如权利要求1所述的一种PCB过孔内壁质量的检测方法,其特征在于:所述步骤107中,输出缺陷区域信息,所述缺陷区域信息包含该区域坐标参数、该坐标位置实际检测到场强与标准模板的差异、该缺陷区域区域透射系数与标准模板的差异,根据提供的坐标参数将该区域的放大图像在显示屏上呈现出来供检验人员做最终判断。

    3.  如权利要求1或2所述的一种PCB过孔内壁质量的检测方法,其特征在于:所述步骤103中,采用迭代法进行图像阈值分割。

    4.  如权利要求1或2所述的一种PCB过孔内壁质量的检测方法,其特征在于:所述步骤103中,所述去噪采用小波去噪函数:过程如下:第一、将信号进行小波变换,第二、利用信号和噪声在空间上的不同性态,对小波系数进行信号剪裁,把噪声从信号中去除,第三、利用重构算法还原图像。

    5.  如权利要求1或2所述的一种PCB过孔内壁质量的检测方法,其特征在于:步骤104中,8-邻域轮廓提取法的过程如下:
    对于一副二值图像,设背景像素为黑色,对象为白色,对于图像中某一黑色背景像素点,若其8个邻域内都是背景像素点,则将该点置为白色,遍历图像所有像素点便可完成对所有圆孔轮廓的提??;
    用最小二乘法完成圆心坐标半径的拟合计算:
    对于边缘轮廓上的N组数据(xi,yi),设圆心坐标P(A,B),半径为R,则圆方程写为(x-A)2+(y-B)2=R2
    记残差平方和函数为
    S=Σi=1N[(xi-A)2+(yi-B)2-R2]2,]]>根据最小二乘原理有∂S∂A=∂S∂B=∂S∂R=0;]]>
    xnym‾=Σi=1N(xinyim)/N,]]>解得圆心坐标及半径为:
    A=(x2‾x‾+x‾y2‾-x3‾-xy2‾)[(y‾)2-y2‾]-(x2‾y‾+y‾y2‾-x2y‾-y3‾)(x‾y‾-xy‾)2[(x‾)2-x2‾][(y‾)2-y2‾]-2(x‾y‾-xy‾)2B=(x2‾y‾+y‾y2‾-x2y‾-y3‾)[(x‾)2-x2‾]-(x2‾x‾+x‾y2‾-x3‾-xy2‾)(x‾y‾-xy‾)2[(x‾)2-x2‾][(y‾)2-y2‾]-2(x‾y‾-xy‾)2R=A2-2x‾A+B2-2y‾B+x2‾+y2‾.]]>

    说明书

    说明书一种PCB过孔内壁质量的检测方法
    技术领域
    本发明涉及印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)检测方法领域,尤其是一种PCB过孔内壁质量的检测方法。
    背景技术
    印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)作为一个搭载各种各样电子元件的主要平台,担负了连接电子零部件,使它们真正成为一个完整的功能??榈淖饔?。它作为任何电子产品不可或缺的基础构成部分,对当今世界的电子产业产生了巨大的影响。随着电子工业的飞速发展,人们对产品质量、性能稳定的要求越来越高,因此PCB的检测手段成为急需研究的课题。
    在PCB生产的现有检测技术中,一般使用飞针或专用模具检测PCB的导通电气特性,用自动光学检测(Automatic Optic Inspection,AOI)设备检测PCB锡膏印刷、元件贴放以及线条过孔的表面质量。但目前没有针对PCB过孔(via)内壁孔化质量(包括孔壁毛糙度、孔壁孔化完整度以及孔化厚度等方面)的快速有效的检测手段。而随着电子技术的飞速发展,传送和处理信号的频率越来越高,PCB过孔内壁质量直接影响到其导通性、幅频相频特性和产品的一致性,因而在PCB板的生产过程中检测出过孔内壁质量的缺陷是一项非常有意义的工作,在PCB生产企业有广泛的应用空间。
    现有国内外PCB生产企业针对PCB过孔质量检测主要依赖AOI检测系统来进行[6-8]。通常采用CCD(Charge-coupled Device)摄像机或者CIS(Contact Image Sensor)摄取检测图像,将其转化为数字信号,再采用计算机硬件与软件技术对图像数字信号进行处理,从而得到所需的目标图像特征值,并在此基础上实现模式识别、坐标计算、灰度分布图等多种功能[9-11]。根据被测目标的不同,输出的检测结果可以是被测物体的尺寸或形位误差,也可以是被测物体的表面完整性等。
    但是,现有AOI设备实现PCB过孔检测存在着明显的缺点,AOI设备只能检测直射光线所能到达的地方,因而仅能检测孔形状、直径、位置等属性,但对于孔内壁缺陷(比如孔内壁有细小毛刺,孔内壁有螺纹,以及由此带来的孔化不完全、孔化厚度不合格等问题)则无法做到有效的检测,这些缺陷直接影响PCB 板的后续加工质量(如焊盘起泡、焊接不全等),以及PCB成品的质量(如阻抗特性、幅频特性等)。当前PCB生产检测过程中一般采用过程控制来保证PCB的孔化质量,而没有专门仪器设备能对孔内壁进行检测。
    发明内容
    为了克服已有PCB检测方式的无法对过孔内壁质量实现检测、无法保障PCB产品质量的不足,本发明提供一种有效实现对过孔内壁质量的检测、保障PCB产品质量的PCB过孔内壁质量的检测方法。
    本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
    一种PCB过孔内壁质量的检测方法,所述检测方法包括如下步骤:
    步骤101:获取待测PCB和标准模板;
    步骤102:运用太赫兹波成像技术采集待测PCB原始图像和标准模板原始图像;
    步骤103:对待测PCB原始图像和标准模板原始图像进行阈值化、去噪处理,得到待测复原图像和标准模板复原图像;
    步骤104:分别计算标准模板复原图像和待测复原图像的特征函数,获取过孔圆心和孔径信息,过程如下:
    设半径a的圆孔上任意点P(r,θ)和观察平面上点两点距离L,孔和观察面距离Z,太赫兹脉冲在时间域和空间域的分布均为高斯型,入射波脉冲宽度为T,中心角频率ω,波数k=2π/λ,则

    平面波入射时,入射波光场描述为
    透射波光场描述为考虑光从P到Q传播时间,将E带入到U中时取c为光速,既

    光场强度I=|U|2;
    标准模板复原图像孔圆心及半径数据从标准模板的PCB文件中获??;待测PCB复原图像用8-邻域轮廓提取法获得圆孔边缘轮廓,再用最小二乘法拟合计算圆心坐标与半径;
    步骤105:将所得的标准模板复原图像和待测复原图像的特征信息进行模板匹配运算,过程如下:
    首先进行图像配准,既通过对PCB孔心坐标进行坐标变换,使复原图像坐标和标准模板坐标相同;
    对于任意二维图像上的点,均可以通过变换矩阵G=g11g12g13g21g22g23001]]>实现对它的几何变换,既x2y21=Gx1y11,]]>其中,子矩阵g11g12g21g22]]>实现了对目标点的旋转变换,子矩阵g13g23]]>实现对目标点的平移变换;
    由于一组对应坐标点确定了2条方程,故通过最少三组对应坐标点确定变换矩阵G;
    以各个孔心坐标为参考点对标准模板和待测复原模板各个孔透射场场强分布进行对比分析,得出任意坐标点上的场强差异;
    步骤106:若匹配运算结果在生产允许误差范围内,则显示检测合格;
    步骤107:若匹配运算结果超出生产允许误差范围,则显示检测不合格。
    进一步,所述步骤107中,输出缺陷区域信息,所述缺陷区域信息包含该区域坐标参数、该坐标位置实际检测到场强与标准模板的差异、该缺陷区域区域透射系数与标准模板的差异,根据提供的坐标参数将该区域的放大图像在显示屏上呈现出来供检验人员做最终判断。
    再进一步,所述步骤103中,采用迭代法进行图像阈值分割。
    更进一步,所述步骤103中,所述去噪采用小波去噪函数:过程如下:第一、将信号进行小波变换,第二、利用信号和噪声在空间上的不同性态,对小波系数进行信号剪裁,把噪声从信号中去除,第三、利用重构算法还原图像。
    步骤104中,8-邻域轮廓提取法的过程如下:
    对于一副二值图像,设背景像素为黑色,对象为白色,对于图像中某一黑色背景像素点,若其8个邻域内都是背景像素点,则将该点置为白色,遍历图像所有像素点便可完成对所有圆孔轮廓的提??;
    用最小二乘法完成圆心坐标半径的拟合计算:
    对于边缘轮廓上的N组数据(xi,yi),设圆心坐标P(A,B),半径为R,则圆方程写为(x-A)2+(y-B)2=R2
    记残差平方和函数为
    S=Σi=1N[(xi-A)2+(yi-B)2-R2]2,]]>根据最小二乘原理有∂S∂A=∂S∂B=∂S∂R=0.]]>
    xnym‾=Σi=1N(xinyim)/N,]]>解得圆心坐标及半径为:
    A=(x2‾x‾+x‾y2‾-x3‾-xy2‾)[(y‾)2-y2‾]-(x2‾y‾+y‾y2‾-x2y‾-y3‾)(x‾y‾-xy‾)2[(x‾)2-x2‾][(y‾)2-y2‾]-2(x‾y‾-xy‾)2B=(x2‾x‾+x‾y2‾-x2y‾-y3‾)[(x‾)2-x2‾]-(x2‾x‾+x‾y2‾-x3‾-xy2‾)(x‾y‾-xy‾)2[(x‾)2-x2‾][(y‾)2-y2‾]-2(x‾y‾-xy‾)2R=A2-2x‾A+B2-2y‾B+x2‾+y2‾]]>
    本发明的技术构思为:如图1所示,频率处于0.1THz-10THz的电磁辐射被称为太赫兹波,它处于微波向红外线过渡的区域。兼有微波和光学的特性。太赫兹波自身具有一下几点独特的特性。
    (1)瞬态性。THz脉冲的典型脉宽在皮秒数量级,可以方便地对各种材料行时间分辨光谱的研究。
    (2)宽带性。太赫兹脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡,单个脉冲频带可以覆盖GHz至几十THz的范围,便于大范围内分析物质光谱特性。
    (3)相干性。THz的相干性源于其相干产生机制。THz相干测量技术能够直接测量电场的振幅和相位,从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等光学参数。
    (4)低能性。THz光子的能量只有毫电子伏特,与X射线相比,不会因为光致电离而破坏被检测的物质。
    (5)吸收、反射特性。THz波对很多非金属、非极性材料具有较强的穿透性,陶瓷、木材、塑料等材料对THz波来说是透明的;而水对THz波有极强的吸收性,此外,金属材料对THz波具有强反射性?;赥Hz波对不同材料的不同吸收反射特性,以及PCB板的结构和材料构成,我们认为,THz波是种很适合用于PCB过孔质量检测的波源。
    太赫兹波可以像微波和光学成像一样,作为成像用的辐射源,所以在太赫兹成像技术中可以方便地借鉴两个频谱范围上采用的成像方式,形成新型的成像方式,做为其他成像方式的有效的补充。太赫兹波成像的基本原理是:利用已知波形的太赫兹波作为成像射线,透过成像样品(或从样品反射)的太赫兹波的强度和相位包含了样品复介电常数的空间分布,将透射(或反射)的太赫兹电磁波的 强度和相位的二维信息记录下来,经过适当的数字处理和频谱分析,就能得到样品的太赫兹波图像。
    根据太赫兹波产生和探测机理的形式可以分为脉冲成像和连续波成像。将太赫兹波成像运用于物体缺陷的检测时,由于物体内部的缺陷或损伤对太赫兹波的吸收不同及其边缘对太赫兹光的散射效应,太赫兹电场的强度分布会受到影响,反应到物体的太赫兹图像上显示为图像的明暗不同,即相应的强度不同,据此推出物体内部缺陷或损伤所在的位置。
    将太赫兹波成像技术应用与PCB过孔质量的检测,结合数字图像处理技术、标准元件特征提取技术以及相应的模板匹配算法,搭建一个区别于现有设备的PCB过孔内壁质量检测系统,弥补现有检测技术的缺陷。
    本发明的有益效果主要表现在:根据PCB上金属材料与非金属材料对太赫兹波不同的吸收特性,将太赫兹波成像技术引入到PCB过孔质量检测中。结合图像阈值分割、小波去噪、以及特征匹配法等数字图像处理技术,实现了对PCB过孔表面及内壁质量的快速、有效的检测,特别是针对孔化不完全的PCB过孔检测,弥补了现有检测设备的不足。本专利对保障PCB产品质量、提高产品性能稳定性、实现PCB生产企业利润的提高有着极其重要的意义。
    附图说明
    图1是太赫兹波的示意图。
    图2是PCB板过孔检测系统结构的框图。
    图3是PCB过孔内壁质量的检测方法的流程图。
    具体实施方式
    下面结合附图对本发明作进一步描述。
    参照图1~图3,一种PCB过孔内壁质量的检测方法,所述检测方法包括如下步骤:
    步骤101:获取待测PCB和标准模板;
    步骤102:运用太赫兹波成像技术采集待测PCB原始图像和标准模板原始图像;
    步骤103:对待测PCB原始图像和标准模板原始图像进行阈值化、去噪处理,得到待测复原图像和标准模板复原图像;
    步骤104:分别计算标准模板复原图像和待测复原图像的特征函数,获取过孔圆心和孔径信息,过程如下:
    半径a的圆孔上点P(r,θ)和观察平面上点两点距离L,孔和观察面距离Z,设太赫兹脉冲在时间域和空间域的分布均为高斯型,入射波脉冲宽度为T,中心角频率ω,波数k=2π/λ,

    平面波入射时,入射波光场描述
    透射波光场描述光从P到Q传播时间,将E带入到U中时取c为光速,既

    光场强度I=|U|2;
    标准模板复原图像孔圆心及半径数据从标准模板的PCB文件中获??;待测PCB复原图像用8-邻域轮廓提取法获得圆孔边缘轮廓,再用最小二乘法拟合计算圆心坐标与半径;
    步骤105:将所得的标准模板复原图像和待测复原图像的特征信息进行模板匹配运算,过程如下:
    首先进行图像配准,既通过对PCB孔心坐标进行坐标变换,使复原图像坐标和标准模板坐标相同;
    对于任意二维图像上的点,均可以通过变换矩阵G=g11g12g13g21g22g23001]]>实现对它的几何变换,既x2y21=Gx1y11.]]>其中,子矩阵g11g12g21g22]]>实现了对目标点的旋转变换,子矩阵g13g23]]>实现对目标点的平移变换。
    由于一组对应坐标点确定了2条方程,故通过最少三组对应坐标点确定变换矩阵G;
    以各个孔心坐标为参考点对标准模板和待测复原模板各个孔透射场场强分布进行对比分析,得出任意坐标点上的场强差异;
    步骤106:若匹配运算结果在生产允许误差范围内,则显示检测合格;
    步骤107:若匹配运算结果超出生产允许误差范围,则显示检测不合格。
    进一步,所述步骤107中,输出缺陷区域信息,所述缺陷区域信息包含该区域坐标参数、该坐标位置实际检测到场强与标准模板的差异、该缺陷区域区域透射系数与标准模板的差异,根据提供的坐标参数将该区域的放大图像在显示屏上呈现出来供检验人员做最终判断。
    再进一步,所述步骤103中,采用迭代法进行图像阈值分割。
    更进一步,所述步骤103中,所述去噪采用小波去噪函数:过程如下:第一、将信号进行小波变换,第二、利用信号和噪声在空间上的不同性态,对小波系数进行信号剪裁,把噪声从信号中去除,第三、利用重构算法还原图像。
    步骤104中,8-邻域轮廓提取法的过程如下:
    对于一副二值图像,设背景像素为黑色,对象为白色,对于图像中某一黑色背景像素点,若其8个邻域内都是背景像素点,则将该点置为白色,遍历图像所 有像素点便可完成对所有圆孔轮廓的提??;
    用最小二乘法完成圆心坐标半径的拟合计算:
    对于边缘轮廓上的N组数据(xi,yi),设圆心坐标P(A,B),半径为R,则圆方程写为(x-A)2+(y-B)2=R2
    记残差平方和函数为
    S=Σi=1N[(xi-A)2+(yi-B)2-R2]2,]]>根据最小二乘原理有∂S∂A=∂S∂B=∂S∂R=0.]]>
    xnym‾=Σi=1N(ximyin)/N,]]>解得圆心坐标及半径为:
    A=(x2‾x‾+x‾y2‾-x3‾-xy2‾)[(y‾)2-y2‾]-(x2‾y‾+y‾y2‾-x2y‾-y3‾)(x‾y‾-xy‾)2[(x‾)2-x2‾][(y‾)2-y2‾]-2(x‾y‾-xy‾)2B=(x2‾x‾+x‾y2‾-x2y‾-y3‾)[(x‾)2-x2‾]-(x2‾x‾+x‾y2‾-x3‾-xy2‾)(x‾y‾-xy‾)2[(x‾)2-x2‾][(y‾)2-y2‾]-2(x‾y‾-xy‾)2R=A2-2x‾A+B2-2y‾B+x2‾+y2‾.]]>
    太赫兹波成像获得的原始图像存在干涉条纹、对比度较低、图像较模糊等特点。本专利从算法上对图像进行处理,达到消除噪声、干涉条纹,提高图像对比度及增强图像边缘等的目的。结合PCB生产实际,使处理后的图像能够满足PCB过孔检测的需要。
    原始图像阈值化分割:图像阈值化分割是一种传统的最常用的图像分割方法,因其实现简单、计算量小、性能较稳定而成为图像分割中最基本和应用最广泛的分割技术。它特别适用于目标和背景占据不同灰度级范围的图像,在很多情况下,是进行图像分析、特征提取与模式识别之前的必要的图像预处理过程。常见的图像阈值分割方法有Otsu、最大熵、迭代法、自适应阈值法等,本专利采用迭代法进行图像阈值分割。
    小波去噪函数:小波函数作为一种有效的时间(空间)/尺度分析算法,其应用已遍及信号和图像分析处理的多个研究领域,对PCB成像处理分三步:第一、将信号进行小波变换,第二、利用信号和噪声在空间上的不同性态,对小波系数进行信号剪裁,把噪声从信号中去除,第三、利用重构算法还原图像。
    标准模板和采集图像特征函数的计算,包括如下过程:
    首先,孔的圆心定位与半径求解算法:检测系统的核心就是解决检测PCB过孔的质量问题,对于每一个成像后的通孔都要进行圆心和半径的确定,在此基础上算出通孔的特征函数。
    接着,场强分布及对称性的特征函数:标准PCB的过孔结构上存在对称性,因而其太赫兹波成像的结果也具有相应的对称性。而存在质量缺陷的PCB过孔在结构上必然有着非对称性,在过孔不同区域上对太赫兹波的吸收特性也就必然是不均匀的,这最终导致了对缺陷PCB过孔的成像结果的非对称性。
    最后.模板匹配算法:模板匹配算法是PCB检测系统中重要的组成部分,它决定了检测系统的准确率和精确度。本项目根据本检测系统的特点,拟采用传统的基本特征匹配法与关系结构匹配法相结合,以提高系统检测的准确率。
    如图2所示检测系统主要由(1)太赫兹光源的发生装置,(2)待测板载物平台,(3)太赫兹波探测器件以及(4)用于数字图像处理的计算机构成。载物台用于调整PCB板与光源的相对位置。常见的太赫兹波探测设备为热释电探测器。将检测设备获取的太赫兹波场强分布等信息输入计算机,经过一定的数字图像处理后就能得到用于同标准图像进行匹配检测的太赫兹波成像结果。

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    一种 PCB 内壁 质量 检测 方法
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