S电子产品和半导体的X射线检测

电子产品和半导体的X射线检测
在X射线自动检测系统（AXI）中，速度、可靠性和高分辨率是关键。对于典型的高性能电子产品生产线来说，周期时间以秒为单位计算，这些生产线通常24小时全天候运转。因此，条件稳定的高通量工艺流程至关重要。

本文将给出如何在高端电子生产（PCB组装）、电池生产和半后端生产环境中提高生产率和品质可靠性的解决方案。

Part 1、在线X射线检测

工艺流程中的缺陷越早发现越好。实际上，在生产过程中，每个后续阶段的故障相关成本都会上升大约十倍。在生产过程中尽早确定问题，对于防止产生可能影响整个批次的错误至关重要。

然而，随着越来越多的阳极/阴极层与超薄隔板结合使用，电池设计的容量和复杂性也越来越高，导致越来越难发现缺陷。

PCB布局和设计密度的提高带来了新的挑战。球栅阵列（BGA）的不可见焊点和混合动力组件的多层焊接结构的评估具有挑战性。

与安全相关的组件故障（例如电池故障）备受瞩目，凸显了故障对于安全和业务的风险。降低风险是一个关键的决策因素，激励生产经理转向基于光子计数X射线探测器的快速高灵敏度检测系统，以满足24小时全天候检测需求。快速、准确的检测降低了生产成本，同时提高了安全性和质量。

· 技术优势 ·

☑光子计数
☑ 直接转换技术
☑ 电荷分配
☑ 堆积校正
☑ 反重合
☑ 灵活
☑ 模块化
☑ 多种检测模式
☑ 反重合技术
☑ 双能谱能量
☑ 水冷
☑ 可靠性

Part 2、AIX应用

AIX应用：

尖端二维和三维AXI应用包括最终组装和测试（FATP）检测、PCB组装级焊点的高速检测、具有多个焊层和其他电子设备的混合动力部件检测。

从智能手机到电动汽车，在产品制造过程中，电池检测都需要进行X射线分析，以验证叠片式电池内部结构的层偏移是否在适当范围内。用于预扫描的2D射线检测和高速CT检测可以得到非常有价值的测量结果。
XC-TDI和XC-Thor系列探测器针对这些要求做了专门设计，具有高效、稳定、准确和可靠的性能。
例如：在1分钟内自动获得电池所有角落的CT切片图像，将测量的误判率降至几乎为零。

· 应用实例 ·

☑ 最终组装和测试（FATP）
☑ 焊点检测
☑ 部件检测
☑ 多层动力混合检查
☑ 叠层电池二维检测
☑ 叠层电池CT检测

Part 3、技术概述

在详细讨论特定场景之前，先简要介绍一下该技术。欲了解更多相关信息，请访问http://directconversion.com，查看白皮书和已申请的专利。

光子计数

到达X射线探测器的X射线光子可以用以下三种方式之一进行记录：

计数检测到的实际光子数（光子计数）；

对沉积的总能量求和（电荷积分）；

测量每个光子的能量（能量色散成像）。

此外，光子计数探测器还可以使用能量合并来区分多种能量级别，并且不受暗电流的影响，这一点与大多数其他X射线检测系统不同。
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直接转换技术

到达探测器的X射线可以使用CdTe或CdZnTe等材料直接转换为电荷，或使用闪烁体间接转换为电荷，该闪烁体首先将X射线转换为光，然后使用光电二极管转换为电荷。
直接转换可以更精确地定位光子的相互作用点。这提高了空间分辨率和效率，并且没有余辉效果。

专用集成电路（ASIC）

在探测器中，每个像素都连接到一个专用集成电路（ASIC）上，以记录和读出光子信息。开发的ASIC每个像素有多达1万个晶体管。
这些ASIC被设计成三面平铺，从而使不同长度和宽度的模块化探测器能够匹配所需的视场。即将推出的4面平铺ASIC为大面积光子计数开辟了令人兴奋的新可能性。

通过模块化几何结构的灵活技术

探测器在从混合到板级的整个设计过程中均具有模块化功能，可提供一系列技术性能和几何形状，以适应包括不规则和非线性几何形状在内的各种应用。探测器长度（最长2m）和CdTe材料厚度（从0.75mm到3mm，将来或许更厚）等均可选，以实现最佳的形式、功能的匹配。

像素大小和像素间距

探测器中像素的物理大小从100µm到65µm不等，像素之间没有间隙。但是通过专有的超分辨率重建技术，有效像素尺寸可以减小到等效的50μm或更小，具体取决于成像设置。
像素的填充因数为100％，因此像素间距等于像素大小。
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电荷分配

除了失真的多事件检测（通过反重合技术校正）之外，即使在正确的像素中，电荷的扩散也会导致能量信息受损。
电荷分配校正不仅将击中点分配到正确的像素上，而且还可以还原原始电荷（以及能量），从而准确组合相邻像素的响应。在光谱成像中，准确记录能量信息至关重要。

堆积校正

当一个X射线光子在它之前的光子计数像素之后很快到达同一个光子计数像素时，这可能会被错误地识别为具有合并能量的单个事件，而不是两个单独的事件。这种现象称为堆积。该技术包括堆积校正以补偿这种现象。

超分辨率

超分辨率技术通过智能地重新组合和重建像素数据来恢复超出物理像素大小的精细图像细节。这是由于直接转换材料具有很高的固有空间分辨率，使用常规技术是不可能实现的。

反重合技术

由单个入射X射线光子产生的电荷可以扩散到多个相邻像素，这可能导致一个以上的像素被激活。光子的这种两次（或多次）计数导致空间分辨率降低和统计错误。
反重合技术是为了解决这个问题而开发的，该技术将光子碰撞分配到单个正确像素，从而实现高度精确的空间定位和分辨率。
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每个传感器中有多种检测技术组合

先进的探测器结合了多种成像模式：帧读出、TDI扫描和多焦点TDI扫描或超高分辨率成像，从而为每种应用提供了最佳的采集模式。
在帧模式成像中，同时读取探测器的所有像素，从而使该成像过程等效于平板探测器。
在帧模式下操作探测器并通过软件执行TDI重建可极大地提高后期采集的灵活性。这使得能够将图像聚焦到不同的成像平面上，以通过单次曝光生成多个清晰的图像，或者自适应地生成非均匀对象的单个清晰层，从而获得最大的检测精度。

延时积分（TDI）在光子计数中也被称为延时求和（TDS），其输出可与线阵探测器相媲美。TDS技术允许使用多个读出行提高剂量效率，同时保持高分辨率。常规线阵探测器只能通过牺牲图像分辨率来提高剂量效率。TDI可以实现对快速移动的物体拍摄超高信号图像。

双能谱能量

光子计数能够依据合适的能量等级记录每个入射X射线光子。
用户可以调节每个能量等级的能量水平。多个能量等级可进行光谱分析，从而减少伪影，实现物料分离和散射抑制。当前的产品可在提供两个能量等级来实现双能成像，正在开发的下一代产品将支持多达6个能量等级。利用快速动态阈值调制技术可以提高本机能量箱的频谱性能。

水冷或风冷

每个探测器都可以配备水或空气冷却系统。探测是扁平的几何形状，设计中引入了高效的水冷系统设置。风冷系统的设计包含一个风扇系统。
在极端环境下，探测器的工作温度范围可以进行调整，以适应更高（40度）或更低（10度）温度的工作环境。但某些型号的探测器无需冷却即可运行。

散射抑制

探测器的光谱成像功能可用于散射抑制。在需要高X射线能量的应用中，检测对象本身具有很高的吸收能力，以致大部分穿过检测对象的X射线能量很高，而叠加到物体上的散射光子（会大大降低图像的清晰度）的能量较低。将能量阈值调整为合适的能量水平，可以抑制大部分散射光子，从而将有用光子的损失降至最低。

可靠性和使用寿命

每个探测器均基于直接转换技术，利用CdTe材料将辐射能直接转换为电荷。而其他（间接）探测器则必须先通过闪烁体将X射线转换为可见光子，然后再进行第二阶段转换。

CdTe与闪烁体不同，闪烁体在X射线流多次轰击后会降解，而CdTe不会因X射线而磨损或退化，由于不需要闪烁体，探测器的使用寿命大大提高。转换器材料（通常为CdTe）非常致密，保护较敏感的CMOS读出器免受损坏，因此这种探测器可以有效地屏蔽自身而不损失效率。

Part 4、在现实应用中令人耳目一新的技术

下面描述了最终组装和测试环境（FATP）、焊点检测以及2D和CT电池检测中高速成像、高衰减（即需要特定统计数据，例如对比度噪声比有精确要求的黑白阈值）的一些场景。

FATP（最终组装和测试）

如果使用该技术，在最终组装和测试中可将当前系统的检测速度和图像质量提升25％以上。如果想对其进行测试，则可以在应用程序创新中心专家的支持下，进行测试、评估并查看视图演示。

以下是一些典型的设置

利用TDI650对笔记本电脑进行全扫描
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局部放大
这是在最终测试时对笔记本电脑进行自动X射线检测的场景。使用的TDI650探测器的TDI扫描速度高达每秒150mm，有效物体分辨率小于32µm。

探测器以动态32位或16位（每像素64000灰度）生成图像，而大多数同类产品使用12或14位来生成图像。该方案利用模块化的TDI长度范围（100mm、200mm…600mm、800mm），可覆盖1000mm宽的总扫描范围，具有较高的扫描速度和出色的成像效果。

部件检测

TDI扫描能力是选购扫描组件的理想性价比选择。下图是电容器在直径800mm以上的卷轴上的成像过程。
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局部放大

在此示例中演示了6656x7227像素图像的32µm物体分辨率。

· X射线检测系统具备 ·

☑ 扫描速度
☑ 有效物体分辨率
☑ 每个像素的灰度级数
☑ 扫描长度的模块化选项适合物体宽度
☑ 成像过程中的层分离

· XC-TDI范围 ·

☑ 模块化
☑ 双能
☑ 高速检测
☑ 材料识别
☑ 无噪声读出
☑ 能量范围选择
☑ 高分辨率图像
☑ 低剂量性能
☑ 快速读出
☑ 运动模糊少

焊点检测

在PCB组装中，焊点检查是组装线中最关键的工艺步骤之一。
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在这种情况下，具有优化TDI设置的XC-Thor探测器可以以高达50毫米/秒的速度扫描128条线，从而提供有效分辨率<10µm的图像。

多层混合动力检测

混合动力汽车包含重型冷却材料，通常会结合不同的测试标准为芯片和子组件提供不同的焊料层。
在高密度材料结构检测中，32位TDI模式可获得逐层图像，而无需进行耗时费力的3D检测。

直接转换光子计数探测器

先进X射线检测

☑ 高速区域模式扫描
☑ 快速的“飞速” CT投影
☑ 分层成像
☑ 缩短了CT质量成像的时间
☑ 检测非常薄（<100µm）的堆叠层
☑ 高速成像、高衰减
☑ 有效分辨率<10µm
☑ 以动态32位或16位生成的图像-每个像素64000灰度级

叠片电池的2D和CT检查

在2D测试方案中，将TDI100（有效长度100mm、CdTe 0.75 mm、适用于最高160kV、1-64信道、像素尺寸100µm）与微焦点光源一起使用：120kV/36W（光斑尺寸约为20~25µm）。TDI扫描速度为10毫米/秒，每个电池角的成像获取时间为1.5秒。有效分辨率为30µm。
由于可以灵活地设置所使用的TDI像素行的数量，因此可以优化TDI-line扫描设置，以最小的视差效应对非常薄的（<100µm）堆叠层进行检测，而与层数无关。
在这种情况下，像素行范围在30~40行之间，可获得最佳的速度/图像质量。
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阳极/阴极分层清晰

在以下场景中将考察CT-AXI叠片电池检测，该检测需要高速区域模式扫描，以在最短时间内获取必要的CT投影；所用的X射线源是150kV/75Wµ微焦点光管。
这种“飞速” CT投影扫描最初是使用平板探测器设置的，帧速率最高为9fps（每幅图像110毫秒）生物相容性——每个角CT可提供1000个完整的投影，扫描和重建时间为115秒（+约5秒）。
通过在高帧速模式下使用直接转换光子计数探测器（在本例中为XC-Thor.FX10.512），可以将实际帧速率提高4倍到36fps（每幅图像27毫秒），总CT检测时间缩短70%以上。
使用XC-Thor.FX10.512以36fps（27ms）帧速率生成的智能手机电池角CT切片。
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带阳极/阴极偏移量测量设置的CT切片

利用新的10GB Thor平台，可在类似的CT设置中将该高速CT性能提高到100fps以上，换句话说，可以将CT检测能力提高5~10倍。Direct Conversion公司现在发布了10GB数据传输接口，用于超高速成像。
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XC-Thor.10G
☑ 单源下的双能成像
☑ 材料识别
☑ 射束硬化校正
☑ 散射抑制
☑ 快速成像5000 fps
☑ 无噪音读出
☑ 快速读出，运动模糊少
☑ 低剂量
☑ 非常适合快速移动物体成像

Part 5、结论

希望本文能够给您一些有趣的启迪，可以通过高效且价格合理的X射线成像解决方案来提高产品质量并完善制造工艺。

随着“工业4.0”（当前版本为5.0）模型在各行业的采用，各项业务越来越灵活、资源丰富且自动化。伴随着这样的变化，新的挑战和新的问题接踵而来，亟待解决。