X-RAY高精度检测锂离子电池技术研究

王菊霞，葛春平，何 冰

（1.渭南师范学院 数理学院，陕西 渭南 714099；2.陕西省X射线检测与应用研究开发中心，陕西 渭南714099）

光电检测技术主要包括图像检测技术、光信息获取与光信息测量技术、光电转换技术、测量信息的光电处理技术、光学扫描检测技术、光纤传感检测技术等。该技术已成为现代检测技术特别重要的方法和手段之一，是光电信息技术中最核心的技术，其特点非常突出，比如信息效率极高性、非接触性、速度快、测量精度高、自动化程度高、频宽与信息容量极大等，在医疗、航空航天、军事，尤其是更为普遍的农业、工业及日常生活中均有广泛应用。［1-7］众所周知，X光检测技术集中了光学、电子、软件技术等优势，因此，信息科学技术是依赖着光电检测技术而迅速发展的，进而带动国民经济、国防、科学研究的发展［8］。

1 光电检测技术研究现状与分析

早期X-RAY检测应用于半导体领域，主要检测PCB板焊接生产过程中表面不可显现的缺陷，随即特别应用在表面贴装技术中，实时监控印刷板和贴片机生产线炉前的工作状态，监控炉后回流焊设备，同时对PCB板的良品与次品的自动识别判断，其非接触性、高效性体现的结果很明显：降低误判、漏判率［8］。

在国外，25年前美国的Nicolet为了检查集成线路模块的内部缺陷，尝试利用微聚焦X光技术并取得成功。15年前首家开发了应用于BGA的检测软件，在此领域曾一度处于领航地位［9-10］，但由于当时X光源功能存在一定限制，软件开发不完善，硬件难以满足市场要求，逐渐被市场淘汰。另外，首先在微聚焦检测机器上应用开放式X光源的当属德国的Phoenix，其透射检测效果特别好［11］；日本企业最早从事AXI设备研发［12］，如欧姆龙、SAKI等公司［13］；然而设备体积大，显笨重，操作维护也复杂，更重要的是机器成本价格非常昂贵，普通的电子业界很难接受，无法大范围推广，当时主要是在科研机构和极少数国际化大公司实验室实现［9］。随后考虑到实际应用的需求，经过技术指标不断改进，新型光电检测设备满足了复杂的半导体封装工艺要求，同时达到高清晰度图像分析、大批量生产检测等多种检测功能。同时，降低了机器成本，逐步实现操作简单、易维护等目标，普通用户才能接受。目前同类机器的主流公司有美国YESTECH、德国 Phoenix、日本 Toshiba 等，但都不能同时实现多项指标要求［9，14-20］。

在国内，X-RAY光检测技术在半导体行业的应用研发工作也已展开，国家重大科技项目《极大规模集成电路制造装备及成套工艺》（02专项）明确提出了开展X光检测技术和设备的重要任务：面向新型先进封装技术，球栅阵列（BGA）、倒装焊（FCB）和3D封装等要求，对形成我国极大规模集成电路封装测试领域的完整产业链具有重要的战略意义［13，21］。尤其是近年来PIP堆叠封装的新要求：封装内芯片通过金线再将两个同样的堆叠之间的基板键合［22］，然后整个封装成一个元件便是PIP（见图1）和晶圆封装WLP（见图2），在这两者基础上又提出了SIP系统封装。将近年来出现的这些类似于PIP封装形式的封装统称为三维封装。这些封装对检测提出了更高的要求。该研究方向密切结合国家专项任务和电子信息产业高端需求，重点研发面向极大规模集成电路封装过程的X光检测关键技术及成套装备，并开展示范应用和批量产业化工作。［10］

图1 PIP堆叠封装

图2 WLP封装

近年来，随着我国经济飞速发展，对自动X光检测（Automatic X-RAY Inspect，AXI）的需求也越来越大，该技术在国内自动生产线方面显得越来越重要。可以说中国的AXI业发展令人刮目相看，连续5年以超过80%的速度高速增长［12］。特别值得一提的是电池无损检测行业方面的需求，2006年底市场规模达60亿元人民币，大约占全球的60%。如此巨大的潜在空间，亟待研制在线自动检测电池的设备，因此，国内也有相关研发机构和公司投入到AXI的研发和生产上来，如日联科技、善思科技等公司，但总体来说国内企业在该领域还很少。从国内市场的占有状况来看，80%的市场同样被日本企业拥有，其他的被欧美等企业瓜分［23］，我国在工业光电检测领域和X光机使用率方面远低于发达国家。以光电检测技术在轮胎缺陷检测中的应用为例：我国是轮胎生产和需求大国，据了解，2010年我国共生产子午线轮胎3.64亿条，较2004年增长了近2.5倍，年均增长率超过20%。但是我国在轮胎检测方面却十分落后，据不完全统计，2010年底我国的轮胎制造厂家有600多家，1 000多条轮胎生产线，然而仅有30%左右配置了X光轮胎自动检测设备［23］，远低于发达国家水平。以光电检测技术在锂离子电池缺陷检测中的应用为例：目前较多地应用于锂离子卷绕电池，尚未见到在锂离子叠片电池检测方面的报道。有鉴于此，需抽象出各种类型电池的重要性能参数及其在X-RAY图像中的表现特征，有必要着重研究叠片电池内部缺陷的检测方法。

光电检测技术正以日新月异的速度突飞猛进，世界各国的竞争越来越激烈，其发展趋势将主要聚焦在精度化、智能化、数字化、多元化、微型化、自动化等诸多方面［8，24-26］。最为重要的是高精度，那么应着重考虑聚焦点为纳米、亚纳米尺度的新技术。智能化指系统的智能化，如光电自动跟踪、自动扫描。数字化指结果的数字化。多元化指光电检测仪器功能的综合性等，且应拓展到如微空间和大空间等人们无法触及的领域。微型化指电子元件需要越来越小且提高集成度，即小型、微型的光电检测系统。自动化指非接触且快速的在线测量、动态测量［8］。

2 X-RAY检测技术的应用研究

以3D封装过程内部缺陷的检测为例。目前高密度封装的三大关键技术包括倒装焊（FCB）、球栅阵列（BGA）和3D封装，且随着极大规模集成电路的快速发展，对前工序关键技术要求越来越高，已向22 nm工艺迈进，高端电子信息产品的飞速发展也有力地推动了封装技术的改进，同时给3D内部缺陷检测提出了极大的挑战［21，27］。针对封装和组装过程，传统的测试方式主要包括人工目检、飞针测试、针床测试ICT（In Circuit Tester）等，但这些方法已不能满足各种先进封装器件的测试要求。逐步发展起来的方法有功能测试（Functional Tester），尤其是自动光学检查AOI（Automatic Optical Inspection）方法大大提高了测试效率［21，28-35］。以芯片尺寸封装CSP为例：CSP含有柔性封装CSP、刚性基板CSP、引线框架CSP、栅阵引线型CSP和微小模塑型CSP等多种类型［36］。结构不同，对应的技术也不尽相同，绝大部分都是主要依据FCB和BGA两项技术［36］。其中，FCB技术的电气连接方法有3种［37］：焊球凸点法（Solder bump）、热压焊法（见图3）、导电胶粘接法（见图4）。

图3 热超声焊法示意图

图4 导电胶粘接法

根据封装时焊盘长期暴露在空气中的实际操作过程，导致物件易氧化，使连接点可能裂缝、没有连接上、过多的焊点空洞、裸片、导线与导线压焊等缺陷［27］。另外，在封装过程中会因压力可能使焊盘硅片产生微小裂纹，在封装过程中，导电胶连接的胶体也可能产生气泡，结果封装质量会产生极大影响。需要特别说明的是，这些虚焊、微小裂纹、气泡等问题，从表面无法判断。那么要求传统的测试既需要对所检测对象的功能有非常清楚的认识，还要求检测人员具有特别高的测试技能，而设备复杂，无疑测试成本很高，且成果存在一定的人为因素，这都是极大规模集成电路的封装测试实际存在的难题［21，28］。同样地，对如图5所示的SIP系统级封装来说，都采用了多芯片组件技术和3D封装两大技术。除存在上述2D封装中的检测问题外，还由于多层布线或者是层间叠装互联的复杂3D封装技术，使得SIP芯片从裸片到封装以及到印刷电路板的3D质量检测都变得更加复杂，AOI技术也完全不能解决层间叠装、多层布线引起的不可见缺陷质量控制问题。而对于LED封装来说，在芯片贴装、注胶等过程中经常会出现图1所示的内部气泡，从而影响最终的LED终端产品质量，不利于我国自主LED产品和产业的发展。

为了有效地解决2D和3D封装等过程中出现的内部缺陷检测问题，近年来国外将X-RAY检测技术应用于半导体封测过程，与前述测试方法相比具有更多的优点，可提高“一次通过率”，甚至达到“零缺陷”目标［22］。X-RAY检测技术是通过不同材料对X-RAY的吸收差异，对物体内部结构进行成像然后进行内部缺陷检测，在工业探伤与检测、医学检查和安全检验等领域已得到广泛应用［38-45］，但面向极大规模集成电路新工艺还有许多技术难题需要突破，主要表现在3个方面：一是极大规模集成电路的尺寸越来越小，工艺现已达到45 nm以下，相应的要求检测成像也越来越微型化，迫切需求X-RAY发生器能有6 μm以下微聚焦性能；二是微聚焦的X-RAY检查设备复杂，同时也带来一些新问题，比如运动控制、检测、基础元件研发和集成等；三是X-RAY 3D检测存在新的挑战，高端封装芯片的可靠性是必须解决的难题之一［10，46-47］。

图5 裸片堆叠封装的CT图像

图6 LED封装后X光检测的气泡图像

当前我国半导体照明、汽车以及航空等产业的发展，其内部缺陷检测是保障高可靠性的措施之一，自主研发X-RAY检测技术和装备迫在眉睫［10］，由此引起业界的高度重视，国家《极大规模集成电路制造装备及成套工艺》（02专项）中长期发展规划重大科技专项已将面向较大规模集成电路封装过程的X光学检测设备列入重点支持范围，以突破制约我国高端电子信息检测装备发展的瓶颈技术和装备难题。这些技术将对发展我国高端电子信息制造业具有重要的现实意义。

3 基本原理分析

3.1 基本原理

检测的目的是获得高质量图像，以便精准分析。而图像质量关键取决于微聚焦X-RAY管系统的分辨率，其基本原理主要是X-RAY接收转换装置采用图像增强器或平板检测器FPD（Flat Panel Display）探测系统，利用X-RAY获取图像，再进行图像增强处理、缺陷图像区域分割、缺陷识别及分类，这些图像处理技术即为封装过程中内部缺陷的X-RAY自动检测。［10］

对于软件系统的研究采用由局部到整体的研究方法。以锂电池的检测为例，分别对软包、方壳、圆柱和动力电池的卷绕及叠片电池的算法进行细致研究，尤其是以各种类型的叠片电池的算法研究作为重点内容，然后比较各种类型电池模型设计和检测算法的相同点和相异点，抽象设计出适用于所有类型电池检测的算法系统。

3.2 技术路线

3.2.1 探索叠片电池的重要性能参数、数据模型及算法设计

锂离子叠片电池由于具有正负极片层数多、正负极片距离小、负极弯曲以及由于射线角度发散引起的负极片图像重叠等特点（见图7），导致叠片锂离子电池的检测问题显得非常困难。针对锂离子叠片电池检测算法的设计进行了重点研究和设计。

3.2.2 确定差分筛选测量方法

在叠片电池检测算法中，将确定性方法和概率性方法相结合，使得确定性方法的实时性和概率性方法的鲁棒性相结合，检测结果在实时性和鲁棒性方面兼容兼顾。既满足了检测结果的可靠性，又可满足大型在线检测的实时性要求。

探索应用设计模式对锂离子电池检测算法的结构设计。对于大型在线锂离子检测设备一般需要对同种电池的多个特征点进行多工位交叉检测，甚至要对不同类型的电池的多个特征点进行通用检测。这要求算法系统能够实现对不同种类的锂离子电池检测方面容易进行扩展、组合以及更新操作。

图7 锂离子叠片电池图像

3.3 基本算法

3.3.1 算法设计

锂离子叠片电池的正负电极极差和对齐度是其最重要的性能参数之一。对叠片电池的正负极差算法拟经过以下几步设计并实现：

（1）特征区域确定

一般情况下叠片电池由于其体积较大而造成电极部分图像和背景灰度差值较小，所以采用阈值化后投影的方式偏差较大。考虑到负极部分的图像灰度分布较其他部分图像在水平方向起伏较大这一特点，通过统计图像每一行在水平方向的方差，对统计结果进行阈值处理来确定负极所在位置从而可以定位其特征区域。

图8 叠片电池角点位置标记

（2）角点检测

确定好图像特征区域后，对特征区域图像进行角点检测，计算图像每一点的相似度：

在计算方向变化强度时使用Sobel滤波器，即

根据该方向变化强度设定阈值过滤图像角点位置。图8是对图7叠片电池的角点在原始图上的标记。

（3）角点分类

由于对片电池中部分极片的弯曲和偏转，导致部分负极片的角点没有检测到和少部分正极片角点位置错误，同时也有正极片和负极片角点混杂的现象，所以需要对检测出的角点进行分类，以分隔正负极片。项目组拟通过统计角点在水平方向的最大出现概率来进行分类。初步分类的结果如图9所示，对角点的分类算法项目还在继续研究，以便找到更合理的分类方法。

图9 角点正负极片分类

（4）正负极角点筛选拟合及补偿

通过步骤（3）分类后，初步确定了正负极角点出现概率最大的位置，以最大位置为参考点，对正负极片角点进行筛选，筛选后进行3次立方拟合。拟合时需要对空缺较大的位置进行补偿处理。图10所示为经过筛选、拟合及补偿处理后正负极曲线图及负极片最小和最大距离位置。

图10 叠片电池正负极切线图

3.3.2 差分筛选法

（1）差分处理

设特征区域图像行列数为m1和n1，对其进行m2行n2列的卷积操作。其中：

考虑到锂离子电池图像负极在水平方向上的差异，即负极受图像噪点的干扰，选用的卷积核为：

对图10所示的卷绕电池图像进行卷积处理后的图像效果如图11所示。可以看出上面的核经过差分突出了负极，通过垂直方向的叠加对受噪点干扰而断开的负极进行了拟合拼接。图12为对差分图像进行阈值处理的结果。

（2）电极提取

对图13的阈值处理结果进行轮廓提取和细化处理，得到代表负极片的线段数据，见图14。

图11 差分处理

图12 阈值处理

图13 负极线段数据

图14 正极过滤

（3）正极过滤

对图13中的负极线段数据进行过滤操作，过滤可通过负极或正极线段顶坐标的连续性或电极间隔来进行过滤。图14为过滤掉正极线段的结果。

（4）数据修正

在图13中进行阈值操作时，虽然已经突出了全部的负极图像，但是对于螺旋电极的情况，负极底端图像数据丢失，结果表现为图14中左侧几条负极线段底端坐标偏差。所以需要对负极的底端坐标进行修正。拟通过统计原始灰度图像中两负极线段中间部分的数据在水平方向的方差分布进行修正。图15为经过修正后在原始图像中负极片的位置标记。

图15 差分筛选法处理结果

3.3.3 锂离子电池检测算法的结构设计

对于大型在线锂离子检测设备一般需要对同种电池的多个特征点、多工位交叉检测，甚至要对不同类型电池的多个特征点进行通用检测。这要求算法系统能够实现对不同种类的锂离子电池检测方面容易进行扩展、组合及更新操作。所以应用设计软件模式对锂离子电池检测算法的结构进行设计是又一个重要内容。

锂离子电池X-RAY检测算法包括各种类型的电池检测算法，同时每种算法都有一个与之相对应的参数配置对话框，将每种电池检测算法和算法参数配置对话框看作是一个产品族中的两个产品。随着电池种类的多样化，以后会出现不同的电池样品需要检测。使用抽象工厂模式来设计算法系统。以便整个算法系统满足开放封闭原则（OCP，Open Closed Principle），具有很好的通用性和鲁棒性。

图16以其中的软包算法及其参数对话框和方壳算法及其参数对话框为例说明了算法系统的设计结构图。

图16 算法结构图

从以上结构图中可以看出，在以后需要增加新的检测种类时，只需要扩展继承AbstractAlgorithm、AbstractParamDlg及AbstractAlgorithmFactory就可以很好地满足OCP原则。

图17 自动光学检测仪硬件系统

4 研究方法分析

以陕西省X射线检测与应用研究开发中心自主研发的微聚焦X-RAY管为例，主要说明光电检测的图像处理过程，其属于软件工程等方面的理论研究与工程研发工作，通过开展产学研合作，完成了8种系列产品的研发和配套软件的设计，合作研发的自动光学检测仪（AOI）已批量投产。以该研发中心为依托，校企合作成果（微聚焦X-RAY检测设备视觉系统相关技术与部件）已经在微聚焦X-RAY检测设备上得到初步应用。如开发的应用于PCB电路板检测的微聚焦X-RAY透视检测设备AX8100、开发的元器件焊接检测微聚焦X-RAY透视检测设备AX7100、AX6080。目前自主研发的X-RAY射线源已达到微米量级；自主研发的软件系统，利用软件工程学和设计模式的相关理论知识，在前期研究的基础上对算法系统的结构设计进行了详细的分析和合理的架构设计，已经应用于自动光学检测仪（AOI）中。

4.1 自动光学检测仪（AOI）

自动光学检测仪系统包括运动控制系统、控制PCB板自动上料并定位至扫描区域；图像采集系统，获取PCB板的编程图像；检测标准定义系统，将PCB板信息自动导入至编程图像，并对检测点进行位置定义和参数设置；调试系统，选择同一型号的PCB板的不同样品对编程图像进行调试；在线检测系统，对在线检测PCB板进行实时检测，并将检测结果于上位机中显示并以文件或数据库形式保存至存储装置；SPC系统，用来对检测结果进行实时统计和显示。该系统对应的硬件系统和软件系统分别见图17和图18。

图18 自动光学检测仪软件界面

图19 在线电池X光检测软件界面

4.2 在线电池X光检测设备

利用X-RAY成像检测技术检测电池内部缺陷的设备，一般分为在线和离线两大类，显然在线检测更能够快速方便地进行自动检测，目的是分离出不良品，实时地反馈给组装等生产过程中，有效地改善工艺流程［10，48］。

硬件系统主要有：电池输入传送机构、电池输出分拣传送机构、电池扶正机构、电池夹持机构、机械手臂、气缸、光管、图像增强器、相机、PC机、运动控制卡。所开发的软件如图19所示。

4.3 18650圆柱锂离子在线检测软件系统

圆电池测算主要针对电池内部对齐度缺陷检查，对其存在的缺陷进行SPC数据分析，可以有效提高在线圆电池生产效率，工艺流程的改进见图20。

图20 18650圆柱锂离子在线检测软件系统

图21 数字图像系统预处理软件主界面

4.4 数字图像系统处理软件

根据X-RAY成像的结果，对其影像进行一系列操作，如去噪、增强、复原、分割、特征提取以及二维测算的系统称之为数字图像处理软件系统［48］。如果过程是智能化的，即为智能化数字图像处理系统。

数字图像系统预处理软件是在对常用X-RAY检算法进行系统研究的基础上，实现对这些算法的封装和测试（见图21）。前期研究成果已经在珠三角地区一些大型X-RAY检测设备企业投入使用。

5 结语

X-RAY高精度检测的研究，将主要开发适应于工业领域的智能检测设备，特别是以锂电池检测为突破口，可以对电池生产线的工作状态进行有效实时监控，同时将延伸到多层印刷电路板、半导体、塑胶、玩具行业，压铸、电池行业，太阳能行业，食品、制药等相关工业领域中遇到的常见缺陷利用X光学检测仪的研发。具体目标：X-RAY源实现聚焦尺寸约为 5 μm，分辨率达到 2.5 μm；探测系统分辨率达到115 LP／mm，采集速度达到30帧／s。为了实现计算机准确快速地断层扫描图像，点运动精度在2.5 μm范围内，X／Y跟随误差约5 μm，角跟随误差约0.03°。通过对所取图像灰阶差值的缺陷进行划分，建立信噪比高、层次差级明显、图像信息易于识别的X-RAY影像处理系统。

目前，我国的X-RAY高精度检测技术在某些方面已进入世界前列阵营，还需要不懈努力、不断创新具有民族特色的品牌。后面应着重突破以下关键技术：一是需要特殊设计对X-RAY管的电子枪、加速聚焦、散热阳极的结构，须采用高频电源供电，以便解决高通量与微焦斑的矛盾，这种X-RAY源将会填补国内X-RAY检测的核心技术，使检测设备的“芯”国产化［10］。二是在算法系统设计上，将软件工程和模式设计理论应用到算法系统设计上，使得整个电池检测算法系统成为一个有机结合的整体，以便增强算法的扩展性和兼容性。