什麼是X-Ray?選購X射線檢測機時須注意什麼事項?

Posted by
9 月 4, 2024

X射線（X-ray）是一種電磁波，波長介於0.01nm(奈米)到10nm之間，對應頻率範圍在30PHz(1015Hz)到30EHz(1018Hz)，一般可見光的波長則在400nm~700nm之間，而紫外光的波長則在10nm~400nm之間。由此可以看出來，X射線是一種比可見光波長還短非常多的電磁波，一般來說波長越短的電磁波，其頻率就越高，且單位時間內能量的傳遞也就越高。就類似高速出拳與慢速出拳的差異，假設兩個拳頭的重量一樣，但是有一個出拳的速度比另一個還要快，那麼出拳快的拳頭在單位時間內將會帶來更高的能量，這也是為何紫外光及X-ray對人體細胞可以造成危害，而可見光對人體一搬無害。

X-Ray的應用

(維基百科圖片)倫琴拍攝的一張X射線照片，阿爾伯特·馮·科立克的左手X射線的最早應用可以追溯到其發現者威廉·倫琴（Wilhelm Conrad Roentgen）於1895年進行的實驗。當時，倫琴在使用陰極射線管(cathode ray tube)時偶然發現了一種未知的輻射，這種輻射能穿透黑紙並在螢光屏上產生影像。他隨後將手放在X射線下，拍攝出了人類歷史上第一張X射線照片，顯示了手骨和戒指的影像。這一突破性發現迅速引起當時醫學界的關注，且很快被用於醫學診斷，通過拍攝人體內部骨骼和牙齒的影像來診斷骨折和牙齒問題，並用於檢查身體內異物，開創了醫學影像學的新紀元。

隨著技術的發展，X射線技術逐漸被廣泛應用於非破壞性材料檢測和工業品質管控，例如檢查金屬鑄件內部缺陷、檢測焊接點的完整性、檢查IC封裝是否有氣泡、機場港口海關的安全檢查，以及用來確定分子和晶體結構等。這些應用顯示了X射線技術在醫學、工業和科學領域的巨大潛力。

X-Ray產生的方法

產生X射線的最簡單方法是將電子加速後撞擊金屬靶。在撞擊過程中，電子因為突然被減速，損失的動能則以光子形式釋放，就形成了X射線光譜的連續部分，稱為制動輻射(Bremsstrahlun or braking radiation)。通過增加加速電壓，可以讓電子的能量增大，將金屬原子的內層電子擊出，形成內層電洞。原子為了達到平衡，外層電子會躍遷回內層填補這些電洞，並釋放出波長約在0.1納米的X射線。

X-Ray的成像原理

X射線的成像原理主要基於材料的不同密度和組織結構對X射線的吸收能力不同。使用X射線照射物體時，密度較高或原子序數較大（如骨骼和金屬）或較厚的物質會吸收更多的X射線，而密度較低（如肌肉、脂肪和空氣）或較薄的物質則會讓更多的X射線通過。這些差異在X射線探測器或感光底片上會形成不同強度的影像，從而產生對比，顯示出物體內部結構的灰階影像。這種成像技術在醫學診斷和工業檢測中非常有用。

影響X-Ray成像品質的三要素

使用同一台X-Ray檢查設備的情況下，物質的下面三個要素會影響到X射線的成像品質，分別為：

密度及厚度應該可以很容易理解，就類似讓水流經密度越高或厚度越厚的海綿就越不容易。

而原子序可能比較難以理解，我們可以先想像每個原子是一個家庭，原子序就像家庭成員的數量，原子序越大，表示家庭裡的成員（即質子）越多。例如，氫的原子序是1，就像一個單親家庭，只有一個成員；而氧的原子序是8，就像一個有八個成員的大家庭。

所以，原子序越大的元素，就意味著其原子的組成越大，其元素排列通常就越緊密，X射線也就越難以穿越。這樣在使用X射線來分析同一個材料中具有相近原子序的元素時，就比較難以分辨出它們的差異。這是因為X射線的吸收和散射能力主要依賴於原子的電子結構，而原子序相近的元素，其電子結構和X射線相互作用的方式也比較類似。因此，它們在X射線圖像中的對比度差異較小，這使得區分它們變得不那麼明顯和直觀。這樣的情況通常就需要更精細的分析技術或輔助檢測方法來區分。

所以IC封裝中如果有孔洞、氣泡，因為黑膠與孔洞有著明顯的密度差異，可以很清楚的用X-Ray分辦出孔洞的在黑膠封裝中的位置，而IC封裝中的金線（金的原子序：79）、銅線（銅的原子序：29）也可以很明確的與矽晶片（矽的原子序：14）做出區別，但如果是COB打鋁線就比較難與矽晶片做出區別（鋁的原子序：13），因為兩者的原子序太過接近。

購買X-ray檢測機須留意的幾個重點

另外，如果你想購買X光檢測機，建議要留意下面幾個會影響X射線圖像清晰度的因素：

  1. X射線管(X-ray tube)也稱為光管的電壓、電流及功率：

    1. 光管電壓：光管電壓直接影響的是能否擊穿樣品，當然這個會跟材料吸收X光能力以及厚度有關，一般來說元素週期表越往後的元素（原子序越大者）所需要的電壓會越強，當然也是有例外的。

    2. 光管電流：光管電流會影響的是樣品成像的對比度，當兩個材料吸收X光的特性很接近時（原子序相近），通常不容易分辨出來，這時候可以改變電流讓對比效果，也就是灰階程度加強，這樣可以加強灰階的分辨效果。

    3. 光管功率：P(功率)=V(電壓)‧I(電流)，功率愈高在相同材料中的穿透深度越強，如果是一些比較大型或較厚的樣品通常需要比較高功率的設備才能進行檢測。

    4. 購買X光檢測機的時候要留意其最大功率能否符合自己產品的檢測需求。如果你有需要檢測金屬鑄件的需求，就需要較大功率的光管。

  2. 光管的類型與是否容易更換：
    X光管基本上是種消耗品，就類似照明燈管，使用超過一定小時就需要更換，但這只針對封閉式光管。X光管大致分為開放式及封閉式兩種，各有優缺點，大體而言，開放式光管就類似DIY，所有的元部部件幾乎都可以個別更換，也因為不是完全封閉，所以它需要一個額外的渦輪分子泵來不斷地抽真空以保持光管內的真空度，所以開放式光管的初始費用會比較貴，而且噪音比較大，但開放式光管也能夠提供較高的解析度和放大倍率，而且可以直接更換光管內的鎢絲，也就不需要更換整支光管。封閉式光管就類似一體成型的組件，光管的所有部件都密封在真空容器中，所以，封閉式光管不需要額外的抽真空泵，也沒有維護的問題，只是一旦有損壞就需要更換整支光管。

  3. 焦點大小：
    光管的焦點大小會直接影響到成像的解析度，它就類似使用點陣宮格來畫圖一樣，越小的宮格就代表焦點越小，描出來的圖也就越細緻，光管的焦點越大，解析度就越差，反之焦點越小、解析度就越好。一般在考慮焦點大小的選擇時，主要就是在看需要分析的缺陷大小，或是要檢查至多小的樣品。例如：一般的電子產品主要用來檢視導通孔(vias)、PCB蝕刻狀況、SMT製程中的焊錫濕潤狀況，這些檢測使用Microfocus即可，但若需要分析到像半導體製程這樣更細小的零件以及缺陷，則需要使用到Nanofocus。

  4. 影像處理軟體：
    現在已經發展出許多先進的影像處理軟體，不僅可以優化圖像的對比度和清晰度，還可以有人工智能協助進行缺陷分析及統計分析。

X-Ray檢測機可以大致分成2D、2.5D及3D影像類型

從X光機被發明出來，隨著技術發展，X-Ray檢測機台也從最早期的2D影像，發展到可以傾斜角度的2.5D影像，再到現在可以做到3D掃描立體成像。

如果要使用X-Ray影像來檢查電子零件的焊點是否有錫裂，以上三種X-Ray機台可能就點力有未逮，雖然3D CT機台有點機會可以觀察到錫裂，但這個很吃X-Ray的解析度，而且越小的縫隙，就需要越高的解析度，再說CT掃描很花時間。

對X-Ray影響檢查BGA焊點有興趣的朋友可以參考工作熊這支發表在YouTube影片，應該可以給你更多的參考資訊。

《YouTube》BGA虛焊失效模式可以用X-ray分析出來嗎？

延伸閱讀：

技術介紹, 產品介紹
人氣(301)   迴響(0)

　
 　
訪客留言內容（Comments）

No comments yet.

訪客留言注意事項：
1.首次留言須通過審核後內容才會出現在版面上，請不要重覆留言。
2.留言時請在相關主題文章下留言，與主題不相關的留言將會被視為垃圾留言，請善加利用【搜尋框】尋找相關文章，找不到主題時請在「水平選單」的「留言板」留言。
3. 留言前請先用【搜尋框】尋找相關文章，自己做一點功課後再留言。沒有前因後果的內容，工作熊不一定會瞭解你在說什麼，就更無法回答你的問題。  
4. 工作熊並非某一方面的專家，所以回答的內容或許會有不正確的地方，服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題，請前先參考這篇文章【詢問工程問題，請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問，並且請提供足夠的資訊，這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看，但不會每則留言都回答，尤其是只有問候之類的內容。  
6. 留言詢問時請注意您的態度，工作熊不是你的「細漢」，更沒有拿你的薪水，所以不接受吆喝工作熊的態度來回答你的問題。  
7. 原則上工作熊不接受私下電子郵件、電話、私訊、微信或任何即時通聯絡。  
8. 自2021年7月起Google將停止最新文章電子郵件通知，如果你想隨時接收部落格的最新文章可以參考這裡。

您有話要說（Leave a comment）

(required)

(required)