多模态热波成像与伪三维形态重建技术在焊点微米级裂纹定量检测中的应用

《NDT & E International》：Multimodal Thermal Wave Imaging and Pseudo-3D Morphological Reconstruction for Quantitative Detection of Micron-Scale Cracks in Solder Joints

　　荣成丽|王飞|杨峰|陈嘉烨|张海|斯特凡诺·斯法拉|V.S.加利|R.穆拉维萨拉|安德烈亚斯·曼德利斯|岳宏豪|刘俊岩中国哈尔滨工业大学机械电子工程学院，哈尔滨，150001摘要在确保机电设备的长期性能方面，可靠地检测焊点及基板中的微小裂纹至关重要。主动红外热成像技术是一种非接触式且高效的检测方法，但激发信号波形以及特征提取算法对检测性能的影响至今尚未得到充分研究。本研究通过结合多源热调制激发与频域、时域及统计特征提取算法，系统研究了微米级裂纹的检测以及基于深度的形态映射。研究采用了CNR、SNR、DIS、BD、RSNR和PSD六项指标来评估缺陷的可检测性、区域一致性以及内部特征的显著性。实验结果表明，在方波和正弦波激发下，特征点降采样算法能够实现可靠的缺陷识别，而傅里叶变换和双通道数字锁相算法则可提供互补的相位增强效果。在脉冲激发条件下，多项式拟合相关算法能有效消除边缘干扰。在所有评估方法中，特征点降采样算法的整体性能最佳，其在方波激发下的BD值超过了其他所有算法的平均值，RSNR值可达到0.95。此外，该算法还能高精度地重建三维形态，其相对重建误差与裂纹宽度呈幂律关系，即y=5.43x-0.48，R2=0.9219，当裂纹宽度大于0.2毫米时，误差可控制在10%以内。这些研究成果为高精度焊点裂纹检测提供了最佳策略，并为机电产品制造中的可靠性评估奠定了定量基础。引言随着电子信息技术领域的不断创新发展，单个组件的可靠性已成为机电设备设计中的重要考量因素。因此，电子组件与其基板之间的焊接连接可靠性尤为重要[1]、[2]。整个系统的性能在很大程度上取决于这些刚性搭接连接的完整性。在数据通信、汽车电子和航空航天等要求苛刻的行业里，这些连接必须能够承受极端的工作环境压力，包括温度变化、机械振动以及湿度影响[3]、[4]、[5]。因此，精确检测焊点与基板之间的潜在缺陷，如气孔、冷焊点以及细微裂纹，对于确保系统的长期可靠性以及避免灾难性故障具有重要意义[6]、[7]、[8]。传统的无损检测方法，包括人工目视检查、自动光学检测、飞针测试和超声波检测，往往难以满足这些严格的要求。这些方法通常存在效率低下、漏检率较高、无法检测内部缺陷，以及在检测过程中可能损坏电路板等固有缺陷[9]、[10]、[11]、[12]。虽然X射线和太赫兹成像等新兴技术提供了替代方案，但由于设备体积庞大、投资成本高昂、会丢失内部信号信息，或是技术尚不成熟，难以在工业领域得到广泛应用[13]、[14]。鉴于这些限制，目前仍迫切需要一种强大、非接触式且能实时检测的方法，以确保焊点检测的高可靠性。主动红外热成像技术作为一种能够克服上述难题的辅助无损检测技术，正逐渐受到重视。它的优势在于无需接触被测物体、效率高，且能够快速扫描大面积区域[15]。该技术是通过外部激励在样品中产生热波，再利用红外相机分析由此产生的表面温度变化来实现的[16]。焊点中的裂纹等缺陷会阻碍正常的热传导，从而产生可检测的温度异常现象[17]。由于其对温度变化具有直接敏感性，主动红外热成像技术非常适合用于无损检测焊点与基板连接处的细微缺陷。主动红外热成像技术的有效性主要取决于热激励的波形以及后续的数据处理算法。在现有的检测方法中，锁相热成像技术和脉冲热成像技术是两种主要的检测方式。锁相热成像技术利用周期性热刺激，通常为正弦波或方波形式，然后通过傅里叶变换、四点平均法和双通道数字锁相相关法等算法处理响应信号。这些技术可以提取幅度图像和相位图像，其中相位图像由于不受不均匀加热的影响，对地下缺陷具有很高的灵敏度[18]。而脉冲热成像技术则采用短暂的高能量脉冲作为热刺激，其分析过程依赖于对瞬态冷却过程的复杂后期处理[19]。脉冲相位热成像技术可以将时间数据转换为频域数据，而主成分分析技术则可将数据压缩为具有代表性的统计特征，这两种方法都有助于更清晰地识别缺陷[20]、[21]。除此之外，还可以结合多项式拟合与相关分析等方法，进一步提升缺陷对比度[22]。尽管具备这些功能，但激发信号类型以及特征提取技术对焊点与基板之间裂纹和分层缺陷检测的影响仍需进一步研究[23]。目前，金属材料中的裂纹检测主要集中在毫米级裂纹上，针对更小尺寸裂纹的检测以及三维形态的重建研究还相对较少[24]、[25]。为了解决这些问题，本研究采用了多模态红外热成像技术，以便对不同的红外热成像方法进行系统比较和分析。通过这种方法，研究了对缺陷信号的提取与增强技术，旨在高效准确地识别与焊点及基板故障相关的关键特征。这一过程有助于高置信度地检测微小裂纹。此外，研究还探讨了微小焊接裂纹的三维形态重建方法，并建立了重建误差和裂纹尺寸的预测模型，以提高检测的灵敏度和可靠性。基于对多模态调制信号激发以及多源特征提取算法的研究，本研究进一步探讨了裂纹尺寸对焊点裂纹三维形态重建精度的影响。所提出的方法核心在于综合运用多种特征提取技术，包括傅里叶变换、数字锁相相关法、四点平均法、脉冲相位热成像技术、主成分分析以及多项式拟合，从而在时间域、频域和统计域全方位提升缺陷特征的识别能力[26]、[27]。研究的最终目标是建立更为完善的焊点及基板裂纹检测框架，从而提升机电产品制造过程中的质量保障水平。本文的结构如下：首先介绍主动红外热成像的理论基础，并建立热扩散的三维数学模型，进而推导出缺陷深度反演方法。接着，构建了多模态主动红外热成像系统，该系统可在不同激发信号作用下检测微米级的焊接裂纹。随后，通过时域分析、频域技术及统计方法提取缺陷特征，并利用多维度指标评估检测性能。最后，重建裂纹的三维形态，分析并预测裂纹尺寸对重建精度的影响。章节摘录主动红外热成像原理作为一种新兴的无损检测技术，主动红外热波成像已被广泛用于缺陷检测与评估。该方法通过外部调制的热源主动加热被检测物体，使热量在缺陷区域积聚，从而形成异常的表面温度分布[28]。红外相机可实时捕捉并记录表面温度的变化情况，将其转化为可视化的图像。试样在本研究中，以一块装有三个射频连接器的印刷电路板作为测试试样。这些连接器以3厘米的间距重叠在基板上，通过钎焊方式连接在一起。为了系统研究裂纹尺寸对热波响应的影响，在连接器引脚与印刷电路板之间的搭接焊点处人为制造了尺寸可控的裂纹缺陷。这些缺陷是通过特定工艺制备的。数据分析方案为了提高射频连接器与印刷电路板界面处焊点裂纹的检测能力和分辨率，本研究采用了多种调制激发信号以及多源特征提取算法，对红外热图像序列进行处理。这些算法包括频域分析、时域分析以及统计分析方法，有助于全面了解热响应特性，从而更精准地识别缺陷。值得一提的是，本研究的最大贡献在于……结果与讨论本部分系统分析了不同激发方式，即方波、正弦波和脉冲激发，以及各种信号处理算法对缺陷检测性能的影响。研究的目的是找出最佳的熱激励与分析方法组合，以便有效检测试样中的缺陷。此外，通过比较多种红外热成像检测策略，并研究缺陷信号的处理技术，进一步优化检测效果。结论本研究全面探讨了利用主动红外热成像技术检测和定量评估焊点中微小裂纹的方法。通过结合方波、正弦波和脉冲三种热激励方式，以及频域、时域和统计特征提取算法，本研究利用六项定量指标系统评估了检测性能。同时，还研究了裂纹的三维形态……作者贡献说明杨峰：软件开发、研究方法、定量分析。斯特凡诺·斯法拉：论文撰写与编辑、项目指导、概念设计。V.S.加利：结果验证、项目指导、资源协调、研究实施。陈嘉烨：图像可视化、结果验证、项目指导、软件开发。张海：资源协调、研究实施、定量分析、概念设计。岳宏豪：论文撰写与编辑、项目管理工作、研究实施、资金筹措。刘俊岩：论文撰写与编辑、项目指导、项目管理工作。未引用参考文献[29]。利益冲突声明作者声明不存在任何利益冲突。致谢作者声明不存在任何利益冲突。本研究得到了国家自然科学基金（编号62201173）、博士后创新人才支持计划（编号BX2021092）、中央高校基本科研业务费（2023FRFK02046）、哈尔滨工业大学外国专家交流计划（编号D20240030）、JCJQ计划（2022-JCJQ-JJ-0646）以及高校学科引才计划（资助编号B07108）的支持。