劉 駿，楊 龍，劉 軍

(1.無錫日聯(lián)科技股份有限公司，江蘇無錫214145；2.中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島066011)

微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的最佳分辨率

劉 駿1，楊 龍1，劉 軍2

(1.無錫日聯(lián)科技股份有限公司，江蘇無錫214145；2.中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島066011)

根據(jù)微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)在半導(dǎo)體行業(yè)中實(shí)際應(yīng)用的要求，通過推導(dǎo)得出微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率與放大倍數(shù)的數(shù)據(jù)關(guān)系式，并帶入到實(shí)際的檢測(cè)系統(tǒng)中，繪制出了系統(tǒng)分辨率與放大倍數(shù)關(guān)系曲線；通過曲線說明了應(yīng)用在半導(dǎo)體行業(yè)的微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)，在一定放大倍數(shù)范圍內(nèi)，系統(tǒng)具有最佳分辨率，并通過實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)與理論值對(duì)比，驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

微焦點(diǎn)X射線；最佳分辨率；放大倍數(shù)；

微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像系統(tǒng)與其他X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的不同之處在于對(duì)細(xì)節(jié)放大的同時(shí)保持足夠的分辨率。憑借這種特點(diǎn)，微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像系統(tǒng)在對(duì)精密壓鑄件、電子產(chǎn)品、線路板、半導(dǎo)體等尺寸細(xì)小物品的檢測(cè)有著顯著優(yōu)勢(shì)。分辨能力已成為此種檢測(cè)設(shè)備的一個(gè)核心參數(shù)?，F(xiàn)在市面上較為流行的幾種微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像檢測(cè)設(shè)備，均將放大倍數(shù)作為衡量分辨細(xì)節(jié)能力的指標(biāo)，根據(jù)筆者在業(yè)內(nèi)對(duì)大量客戶的回訪，研究發(fā)現(xiàn)使用者在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)盲目地增加放大倍數(shù)并沒有起到讓圖像更清晰的作用。本文提出了微焦點(diǎn)X射線系統(tǒng)最佳分辨率的公式，并通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該公式的正確性，對(duì)今后應(yīng)用及制造微焦點(diǎn)X射線系統(tǒng)起到了指導(dǎo)作用。

1 微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像系統(tǒng)最佳分辨率的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

1.1 微焦點(diǎn)X射線源

目前微焦點(diǎn)X射線源有兩種封裝方式，封閉式和開放式，開放式微焦點(diǎn)X射線源的優(yōu)點(diǎn)是采用可更換燈絲，透射激發(fā)X射線，可以做到1 μm以下的焦點(diǎn)，并可以大功率輸出；缺點(diǎn)是安裝復(fù)雜，采購成本比較高。封閉式微焦點(diǎn)X射線源的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡便，性價(jià)比高，焦點(diǎn)可做到10 μm以下。鑒于我國電子工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，大多數(shù)相關(guān)廠商都可以負(fù)擔(dān)起封閉式微焦點(diǎn)X射線源的檢測(cè)設(shè)備，故本文采用的是美國進(jìn)口的封閉式X射線源，最大輸出功率8 W，最大焦點(diǎn)尺寸d＝0.009 mm。

1.2 X射線探測(cè)器

根據(jù)市面上流通比較多的微焦點(diǎn)X射線檢測(cè)設(shè)備探測(cè)器的調(diào)研，綜合考慮使用廠商的采購能力，決定采用日本進(jìn)口的圖像增強(qiáng)器。該圖像增強(qiáng)器輸入屏尺寸100 mm，理想X射線源下分辨率R1＝7.7 lp/mm，X射線源焦點(diǎn)對(duì)圖像增強(qiáng)器的影響有公式：

其中，R0為圖像增強(qiáng)器在非理想射線源下的分辨率；

R1為圖像增強(qiáng)器在理想源下的分辨率；

R2為X射線源到圖像增強(qiáng)器輸入面的分辨率。

1.3 放大倍數(shù)與系統(tǒng)分辨率關(guān)系曲線

最小分辨的物體尺寸投影到成像器輸入屏后得到：

其中，M為放大倍數(shù)；d為焦點(diǎn)尺寸。

合并公式(1)(2)后，得：

將R1=7.7 lp/mm，d=0.009 mm帶入公式(4)得到關(guān)系曲線如圖1所示。

R0投影到系統(tǒng)上得到系統(tǒng)分辨率R：

圖1 放大倍數(shù)與系統(tǒng)分辨率關(guān)系曲線

由圖1可見，系統(tǒng)的分辨能力在放大倍數(shù)達(dá)到一定數(shù)值后，就不會(huì)隨著放大倍數(shù)的增加而上升，局部放大后，見圖2所示，當(dāng)放大倍數(shù)M=53時(shí)，系統(tǒng)分辨率到達(dá)最大值56.087 lp/mm，隨后系統(tǒng)分辨率隨著放大倍數(shù)的上升而減小，精確到個(gè)位后，系統(tǒng)分辨率為56 lp/mm，放大倍數(shù)在35.52到106.93之間。

2 微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像系統(tǒng)最佳分辨率的數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像系統(tǒng)構(gòu)成

微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像系統(tǒng)由含鉛的外殼、X射線源、成像器、機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算器處理系統(tǒng)構(gòu)成。被測(cè)物體放置在載物平臺(tái)上，通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整X射線源與被測(cè)物體、X射線源與成像器之間的距離，從而改變放大倍數(shù)，在成像器接收到X射線后通過圖像處理系統(tǒng)，在顯示器上顯示出來。系統(tǒng)構(gòu)成見圖3、圖4。

圖2 放大倍數(shù)與系統(tǒng)分辨率關(guān)系曲線（區(qū)間）

圖3 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖

本文所用的檢測(cè)系統(tǒng)，X射線源焦點(diǎn)為0.009 mm，所用的成像器為100 mm（4英寸）雙視野圖像增強(qiáng)器，搭配200萬像素的CCD相機(jī)。

圖5為放大倍數(shù)為107時(shí)，焦點(diǎn)尺寸d= 0.009 mm時(shí)，圖像增強(qiáng)器JIMA卡X射線數(shù)字圖像，從圖上可分辨出10 μm的線對(duì)，根據(jù)分辨率與可識(shí)別缺欠尺寸關(guān)系公式：

將M=107代入公式(5)，得出Xmin=0.009，綜合考慮FOD尺寸誤差及系統(tǒng)噪聲的干擾，所得結(jié)果與圖像上觀測(cè)到的尺寸近似相等。

圖5 在M=107時(shí)，JIMA卡檢測(cè)圖片

3 結(jié) 論

本文提出了微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的最佳分辨率，給出了放大倍數(shù)與系統(tǒng)分辨率的關(guān)系曲線，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖片，驗(yàn)證了公式的正確性。當(dāng)系統(tǒng)放大倍數(shù)為36倍至107倍時(shí)，系統(tǒng)具有最佳的分辨率，本文中驗(yàn)證的系統(tǒng)最佳系統(tǒng)分辨能力為56 lp/mm。

本文所使用的微焦點(diǎn)X射線源因功率限制，所以在驗(yàn)證公式時(shí)，沒有考慮射線圖片質(zhì)量的問題，只關(guān)注圖片中線對(duì)的分辨能力，如果采用開放式微焦點(diǎn)X射線源，圖像質(zhì)量可以更佳。

[1] 李瑋.高分辨率電子工業(yè)用數(shù)字化X射線檢測(cè)系統(tǒng)[J].應(yīng)用光學(xué).2012，33(4)：654-659.

[2] 曾祥照.射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)中的圖像清晰度與分辨率[J].無損檢測(cè)2003，25(3)：133-139.

The Optimum Resolution of The Microfocus X-ray Inspection System

LIU Jun1，YANG Long1，LIU Jun2
(1.Wuxi unicomp technology Co.，Ltd，Wuxi 214145，China；2.CITIC dicastal Co.，Ltd，Qinhuangdao 066011，China)

Based on the requirements of the microfocus X-ray inspection system application in the electronicsemiconductor industry，derived the relation formula of resolution and magnification in the microfocus X-ray inspection system and used the formula into the actual system，to draw the system resolution and the magnification relation curves.Through the curve illustrates when a microfocus X-ray inspection system is used in the electronic semiconductor industry，within a certain range magnification，system has the optimum resolution.And by comparison with experimental data and theoretical data to verify the validity of the conclusion.

Microfocus x-ray；Optimum resolution；Magnification

TN405

B

1004-4507(2017)02-0001-04

劉駿（1968－），男，陜西西安人，副教授，博士，X射線物理理論研究和微聚焦X射線數(shù)字成像研究與教學(xué)。

2016-12-03；

2017-01-07

楊龍（1987－），男，遼寧丹東人，工程師，本科，X射線數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)性能研究及微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定。

劉軍（1976-），男，河北秦皇島人，工程師，本科，X射線數(shù)字成像檢測(cè)多項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)起草與制定。