一种融合激光诱导超声与法布里-珀罗声检测器的全光学成像方法，用于多层印制电路板内部缺陷的无损检测

《Optics and Lasers in Engineering》：An all-optical imaging method integrated laser-induced ultrasound and Fabry–Pérot acoustic detector for NDT of multilayer PCBs with subsurface defects

　　

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  开发了一种集成激光诱导超声和法布里 - 珀罗声学探测器的成像系统，能够检测直径与深度比低至 0.72 的 4 层 PCB 层压板试样的次表面缺陷。
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  该方法能够实现缺陷厚度估算，展示了其在定量缺陷评估方面的潜力。
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  实施了一种基于拉普拉斯金字塔融合的声光图像融合算法，增强了缺陷位置、尺寸和分布的可视化，展示了多源数据融合的潜力。

引言

作为提供电子组件之间电气互连和机械支撑的核心结构，印制电路板（PCB）广泛应用于航空航天、军事、医疗电子和先进制造行业 [1,2]。随着电子产品向高密度、轻量化和多功能化发展的趋势，PCB 结构变得越来越多层、多界面且复杂 [3]。然而，复杂的制造工艺和苛刻的服务条件使 PCB 容易隐藏分层和脱粘等次表面缺陷。这些缺陷会严重损害电子设备的性能和使用寿命 [4]。因此，对多层 PCB 次表面缺陷进行高灵敏度、高分辨率无损检测（NDT）对于确保产品质量和运行可靠性至关重要。

在早期工业生产中，PCB 缺陷主要通过人工目视检测进行检验 [5]，但该方法存在劳动强度大、人工成本高以及无法检测次表面缺陷等缺点。目前，基于机器视觉的自动光学检测（AOI）被广泛使用，但仍局限于识别表面缺陷，无法检测次表面缺陷 [6]。X 射线和工业计算机断层扫描（CT）成像具有一定的穿透能力，但在检测薄层或微尺度缺陷方面表现不佳，并存在辐射风险 [7,8]。太赫兹检测在穿透金属层方面有限，且系统成本较高 [9]，在可比成本条件下，其空间分辨率通常逊于其他方法 [[10], [11], [12]]。红外热成像提供了高检测效率 [[13], [14], [15], [16], [17]]，但 PCB 中铜层的高导热性显著降低了其有效性。这些检测技术的特征总结在表 1 中。

尽管如此，多层 PCB 中小尺寸且深埋缺陷的检测仍然具有挑战性。Wang 采用激光诱导超声（LIU）扫描成像检测多层 PCB 中的分层缺陷，最小可检测直径深比（D/d）约为 5 [18]。Wang 将锁相热成像应用于多层 PCB，相应的 D/d 约为 3 [7]。Cong 采用光/热融合成像，实现了可检测 D/d 约为 3.75 [9]。这些结果表明，在多层 PCB 中，相对于其深度而言横向尺寸较小的缺陷的可靠检测仍然困难。因此，提高对较低 D/d 缺陷的检测能力仍然是多层 PCB 的一个重要问题。

LIU 检测技术利用激光束在材料中诱导超声波。该技术结合了传统超声测试的高灵敏度和精度以及非接触、无耦合剂操作的优势 [[19], [20], [21]]，在检测多层材料中的次表面缺陷方面显示出巨大潜力 [[22], [23], [24], [25]]。

压电换能器是最常用的超声波传感器。然而，它们需要通过耦合剂与材料进行物理接触，导致表面污染并限制带宽 [26]。激光干涉仪通过测量表面位移来检测超声信号，但需要光滑的表面。相比之下，法布里 - 珀罗（F-P）声学探测器无需移动部件或物理接触即可运行。它们通过检测光腔中超声诱导的折射率变化来实现高精度信号重建。这种设计提供了显著优势，包括高灵敏度、宽带宽和完全非接触操作 [27]。因此，F-P 声学探测器已成功应用于各种无损检测（NDT）应用 [[28], [29], [30], [31], [32]]，为复杂层状结构的高分辨率成像提供了一条有前景的技术途径。

总之，为了解决多层 PCB 次表面缺陷检测中的穿透和空间分辨率挑战，本研究提出了一种集成 LIU 和 F-P 声学探测器的成像方法。本文其余部分安排如下。第 2 节建立了多层结构的 LIU 传播模型，并介绍了 F-P 声学探测器的原理。第 3 节描述了带有人工预置缺陷的 PCB 试样、有限元分析（FEA）模型和实验装置。第 4 节介绍并讨论了 FEA 结果以及对所开发成像方法的实验评估。最后，第 5 节总结了主要结论并讨论了未来工作。

章节摘要

多层结构中 LIU 的理论

根据激光能量密度与材料表面损伤阈值之间的关系，LIU 的机理分为两类：热弹效应和烧蚀效应。当激光能量密度低于损伤阈值时，材料表面不会受损，超声产生主要由热弹效应主导。由于热弹效应不会造成表面损伤，它是本研究的主要关注点。

带有人工预置缺陷的 PCB 试样

试样 1 是一个 4 层 PCB 层压板，其结构组成与上述描述一致：基板材料是 FR4，导电层是铜箔，粘合层是环氧树脂。为了模拟材料中各种类型的次表面缺陷，在试样中加工了不同直径和深度的平底孔。这些人工缺陷和试样的具体尺寸如图 2 所示。

试样 2 是一个实际 PCB

结果与讨论

本节介绍并讨论了使用所开发的缺陷成像系统获得的数值和实验结果，重点强调了缺陷尺寸、深度和直径深比（D/d）对检测性能的影响。

结论

本研究提出并实验验证了一种非接触缺陷成像方法，用于高精度表征多层 PCB 中的次表面缺陷。结果总结如下：

• (1)
  建立了多层介质中 LIU 传播的分析模型，并使用 FEA 研究了次表面缺陷对超声波行为的影响。
• (2)
  开发的系统能够可靠地检测 4 层 PCB 层压板中的超声响应，并清晰地识别次表面

CRediT 作者贡献声明

Jianghao Zhao Zhao：写作 – 原稿。 Wenlong Li Li：调查。 Fei Wang Wang：方法论。 Stefano Sfarra Sfarra：调查。 Honghao Yue Yue：项目管理。 Junyan Liu Yue：写作 – 审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能被认为会影响本论文中报告的工作。

Jianghao Zhao Zhao|Wenlong Li Li|Fei Wang Wang|Stefano Sfarra Sfarra|Honghao Yue Yue|Junyan Liu Yue