什么是X-Ray?选购X射线检测机时须注意什么事项?

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9 月 4, 2024

X射线（X-ray）是一种电磁波，波长介于0.01nm(奈米)到10nm之间，对应频率范围在30PHz(1015Hz)到30EHz(1018Hz)，一般可见光的波长则在400nm~700nm之间，而紫外光的波长则在10nm~400nm之间。由此可以看出来，X射线是一种比可见光波长还短非常多的电磁波，一般来说波长越短的电磁波，其频率就越高，且单位时间内能量的传递也就越高。就类似高速出拳与慢速出拳的差异，假设两个拳头的重量一样，但是有一个出拳的速度比另一个还要快，那么出拳快的拳头在单位时间内将会带来更高的能量，这也是为何紫外光及X-ray对人体细胞可以造成危害，而可见光对人体一搬无害。

X-Ray的应用

(维基百科图片)伦琴拍摄的一张X射线照片，阿尔伯特·冯·科立克的左手X射线的最早应用可以追溯到其发现者威廉·伦琴（Wilhelm Conrad Roentgen）于1895年进行的实验。当时，伦琴在使用阴极射线管(cathode ray tube)时偶然发现了一种未知的辐射，这种辐射能穿透黑纸并在萤光屏上产生影像。他随后将手放在X射线下，拍摄出了人类歷史上第一张X射线照片，显示了手骨和戒指的影像。这一突破性发现迅速引起当时医学界的关注，且很快被用于医学诊断，通过拍摄人体内部骨骼和牙齿的影像来诊断骨折和牙齿问题，并用于检查身体内异物，开创了医学影像学的新纪元。

随着技术的发展，X射线技术逐渐被广泛应用于非破坏性材料检测和工业品质管控，例如检查金属铸件内部缺陷、检测焊接点的完整性、检查IC封装是否有气泡、机场港口海关的安全检查，以及用来确定分子和晶体结构等。这些应用显示了X射线技术在医学、工业和科学领域的巨大潜力。

X-Ray产生的方法

产生X射线的最简单方法是将电子加速后撞击金属靶。在撞击过程中，电子因为突然被减速，损失的动能则以光子形式释放，就形成了X射线光谱的连续部分，称为制动辐射(Bremsstrahlun or braking radiation)。通过增加加速电压，可以让电子的能量增大，将金属原子的内层电子击出，形成内层电洞。原子为了达到平衡，外层电子会跃迁回内层填补这些电洞，并释放出波长约在0.1纳米的X射线。

X-Ray的成像原理

X射线的成像原理主要基于材料的不同密度和组织结构对X射线的吸收能力不同。使用X射线照射物体时，密度较高或原子序数较大（如骨骼和金属）或较厚的物质会吸收更多的X射线，而密度较低（如肌肉、脂肪和空气）或较薄的物质则会让更多的X射线通过。这些差异在X射线探测器或感光底片上会形成不同强度的影像，从而产生对比，显示出物体内部结构的灰阶影像。这种成像技术在医学诊断和工业检测中非常有用。

影响X-Ray成像品质的三要素

使用同一台X-Ray检查设备的情况下，物质的下面三个要素会影响到X射线的成像品质，分别为：

密度及厚度应该可以很容易理解，就类似让水流经密度越高或厚度越厚的海绵就越不容易。

而原子序可能比较难以理解，我们可以先想像每个原子是一个家庭，原子序就像家庭成员的数量，原子序越大，表示家庭里的成员（即质子）越多。例如，氢的原子序是1，就像一个单亲家庭，只有一个成员；而氧的原子序是8，就像一个有八个成员的大家庭。

所以，原子序越大的元素，就意味着其原子的组成越大，其元素排列通常就越紧密，X射线也就越难以穿越。这样在使用X射线来分析同一个材料中具有相近原子序的元素时，就比较难以分辨出它们的差异。这是因为X射线的吸收和散射能力主要依赖于原子的电子结构，而原子序相近的元素，其电子结构和X射线相互作用的方式也比较类似。因此，它们在X射线图像中的对比度差异较小，这使得区分它们变得不那么明显和直观。这样的情况通常就需要更精细的分析技术或辅助检测方法来区分。

所以IC封装中如果有孔洞、气泡，因为黑胶与孔洞有着明显的密度差异，可以很清楚的用X-Ray分办出孔洞的在黑胶封装中的位置，而IC封装中的金线（金的原子序：79）、铜线（铜的原子序：29）也可以很明确的与硅晶片（硅的原子序：14）做出区别，但如果是COB打铝线就比较难与硅晶片做出区别（铝的原子序：13），因为两者的原子序太过接近。

购买X-ray检测机须留意的几个重点

另外，如果你想购买X光检测机，建议要留意下面几个会影响X射线图像清晰度的因素：

  1. X射线管(X-ray tube)也称为光管的电压、电流及功率：

    1. 光管电压：光管电压直接影响的是能否击穿样品，当然这个会跟材料吸收X光能力以及厚度有关，一般来说元素週期表越往后的元素（原子序越大者）所需要的电压会越强，当然也是有例外的。

    2. 光管电流：光管电流会影响的是样品成像的对比度，当两个材料吸收X光的特性很接近时（原子序相近），通常不容易分辨出来，这时候可以改变电流让对比效果，也就是灰阶程度加强，这样可以加强灰阶的分辨效果。

    3. 光管功率：P(功率)=V(电压)‧I(电流)，功率愈高在相同材料中的穿透深度越强，如果是一些比较大型或较厚的样品通常需要比较高功率的设备才能进行检测。

    4. 购买X光检测机的时候要留意其最大功率能否符合自己产品的检测需求。如果你有需要检测金属铸件的需求，就需要较大功率的光管。

  2. 光管的类型与是否容易更换：
    X光管基本上是种消耗品，就类似照明灯管，使用超过一定小时就需要更换，但这只针对封闭式光管。X光管大致分为开放式及封闭式两种，各有优缺点，大体而言，开放式光管就类似DIY，所有的元部部件几乎都可以个别更换，也因为不是完全封闭，所以它需要一个额外的涡轮分子泵来不断地抽真空以保持光管内的真空度，所以开放式光管的初始费用会比较贵，而且噪音比较大，但开放式光管也能够提供较高的解析度和放大倍率，而且可以直接更换光管内的钨丝，也就不需要更换整支光管。封闭式光管就类似一体成型的组件，光管的所有部件都密封在真空容器中，所以，封闭式光管不需要额外的抽真空泵，也没有维护的问题，只是一旦有损坏就需要更换整支光管。

  3. 焦点大小：
    光管的焦点大小会直接影响到成像的解析度，它就类似使用点阵宫格来画图一样，越小的宫格就代表焦点越小，描出来的图也就越细緻，光管的焦点越大，解析度就越差，反之焦点越小、解析度就越好。一般在考虑焦点大小的选择时，主要就是在看需要分析的缺陷大小，或是要检查至多小的样品。例如：一般的电子产品主要用来检视导通孔(vias)、PCB蚀刻状况、SMT制程中的焊锡湿润状况，这些检测使用Microfocus即可，但若需要分析到像半导体制程这样更细小的零件以及缺陷，则需要使用到Nanofocus。

  4. 影像处理软体：
    现在已经发展出许多先进的影像处理软体，不仅可以优化图像的对比度和清晰度，还可以有人工智能协助进行缺陷分析及统计分析。

X-Ray检测机可以大致分成2D、2.5D及3D影像类型

从X光机被发明出来，随着技术发展，X-Ray检测机台也从最早期的2D影像，发展到可以倾斜角度的2.5D影像，再到现在可以做到3D扫描立体成像。

如果要使用X-Ray影像来检查电子零件的焊点是否有锡裂，以上三种X-Ray机台可能就点力有未逮，虽然3D CT机台有点机会可以观察到锡裂，但这个很吃X-Ray的解析度，而且越小的缝隙，就需要越高的解析度，再说CT扫描很花时间。

对X-Ray影响检查BGA焊点有兴趣的朋友可以参考188金宝搏苹果下载 这支发表在YouTube影片，应该可以给你更多的参考资讯。

《YouTube》BGA虚焊失效模式可以用X-ray分析出来吗？

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