Εφαρμογή της τεχνολογίας υπεροχθρικής απεικόνισης στην ανίχνευση ελαττωμάτων επιφάνειας FPCB

 I. Περιορισμοί της παραδοσιακής οπτικής επιθεώρησης

Οι εύκαμπτες τυπωμένες πλακέτες κυκλωμάτων (FPCB) χρησιμοποιούνται ευρέως σε τομείς όπως τα smartphones, οι εύκαμπτες οθόνες και οι φορητές συσκευές λόγω της καλής τους ευκαμψίας και των δυνατοτήτων απαγωγής θερμότητας. Καθώς η πυκνότητα των κυκλωμάτων συνεχίζει να αυξάνεται, οι τύποι των επιφανειακών ελαττωμάτων γίνονται όλο και πιο σύνθετοι, με κοινά ελαττώματα να περιλαμβάνουν βραχυκυκλώματα, ανοιχτά κυκλώματα, προεξοχές, λευκές κηλίδες, μαύρες κηλίδες και σπασμένες οπές.

Στις παραδοσιακές μεθόδους ανίχνευσης, η αντιστοίχιση προτύπων που βασίζεται σε εικόνες RGB χρησιμοποιείται ευρέως. Αυτή η μέθοδος εντοπίζει ανώμαλες περιοχές συγκρίνοντας μια τυπική εικόνα με την εικόνα υπό δοκιμή. Ωστόσο, αυτές οι μέθοδοι είναι ευαίσθητες στις συνθήκες φωτισμού. όταν η κατανομή του φωτός είναι άνιση, είναι εύκολο να παραχθούν ψευδείς ανιχνεύσεις ή χαμένες ανιχνεύσεις. Επιπλέον, ορισμένα ελαττώματα είναι μορφολογικά παρόμοια με κανονικές δομές κυκλωμάτων, καθιστώντας δύσκολη την ακριβή διάκρισή τους βασιζόμενοι αποκλειστικά σε εικόνες ορατού φωτός.

II. Κατασκευή του συστήματος απεικόνισης υπερφασματικής

Για τη βελτίωση της σταθερότητας της ανίχνευσης, αυτή η μελέτη κατασκεύασε ένα σύστημα απεικόνισης υπερφασματικής μικροσκοπίας. Το σύστημα αποτελείται από μια υπερφασματική κάμερα, ένα μικροσκόπιο και λογισμικό λήψης. Μεταξύ αυτών, η υπερφασματική κάμερα υιοθετεί το μοντέλο FS-23 από την CHNSpec, το οποίο διαθέτει φασματικό εύρος 400–1000nm και φασματική ανάλυση 2,5nm.

Η κάμερα χρησιμοποιεί μέθοδο σάρωσης γραμμής για απεικόνιση και τα ακατέργαστα δεδομένα περιέχουν 1200 ζώνες. Για τη διευκόλυνση της επεξεργασίας, κάθε τέσσερις διαδοχικές ζώνες συγχωνεύτηκαν σε μία στη μελέτη, αποκτώντας τελικά μια δομή δεδομένων 300 ζωνών. Το μέγεθος μιας μεμονωμένης υπερφασματικής εικόνας είναι 1920 × 960 pixels × 300 ζώνες, καλύπτοντας την πλήρη φασματική πληροφορία του χάλκινου αγωγού και του πολυιμιδικού υποστρώματος.

Το πλεονέκτημα της υπερφασματικής απεικόνισης έγκειται στην ικανότητά της να λαμβάνει μια συνεχή φασματική καμπύλη για κάθε pixel. Η μελέτη διαπίστωσε ότι υπάρχουν σημαντικές διαφορές στην φασματική απόκριση του χαλκού και του πολυιμιδίου στην περιοχή μήκους κύματος 500–750nm, γεγονός που παρέχει μια αξιόπιστη βάση για την επακόλουθη τμηματοποίηση εικόνων και την αναγνώριση υλικών.

III. Μέθοδος ανίχνευσης με γνώμονα τις φασματικές πληροφορίες

Το πλαίσιο ανίχνευσης που προτείνεται σε αυτή τη μελέτη αποτελείται από δύο υποδίκτυα: το FPCB-LocNet για εντοπισμό ελαττωμάτων και το FPCB-ClaNet για ταξινόμηση ελαττωμάτων.

Στο στάδιο εντοπισμού, το FPCB-LocNet χρησιμοποιεί πυρήνες συνέλιξης 3D πολλαπλών κλιμάκων για την εξαγωγή χαρακτηριστικών τόσο από χωρικές όσο και από φασματικές διαστάσεις ταυτόχρονα. Χρησιμοποιούνται πυρήνες συνέλιξης δύο διαφορετικών μεγεθών στο δίκτυο για να εστιάσουν σε τοπικές χωρικές δομές και φασματικά χαρακτηριστικά αντίστοιχα, και τα χαρακτηριστικά διαφορετικών κλιμάκων συγχωνεύονται μέσω μιας υπολειμματικής δομής. Αυτός ο σχεδιασμός επιτρέπει στο δίκτυο να συλλάβει λεπτές χωρικές υφές και συνεχείς φασματικές αλλαγές ταυτόχρονα, επιτυγχάνοντας τμηματοποίηση χαλκού και πολυιμιδίου σε επίπεδο pixel. Μετά την ολοκλήρωση της τμηματοποίησης, οι ανώμαλες περιοχές εντοπίζονται μέσω αντιστοίχισης προτύπων.

Στο στάδιο ταξινόμησης, λαμβάνοντας υπόψη τον περιορισμένο αριθμό υπερφασματικών δειγμάτων, το δίκτυο υιοθετεί μια στρατηγική μεταφοράς μάθησης, προ-εκπαιδεύοντας πρώτα στο σύνολο δεδομένων εικόνων RGB FPCB και στη συνέχεια κάνοντας λεπτομερή ρύθμιση σε ψευδο-χρωματικές εικόνες. Στοχεύοντας στο πρόβλημα του ανισόρροπου αριθμού δειγμάτων για διαφορετικές κατηγορίες ελαττωμάτων, εισάγονται στρατηγικές δειγματοληψίας ισορροπημένης κατηγορίας και μείωσης βάρους στο δίκτυο για να επιτραπεί στο μοντέλο να εστιάσει περισσότερο σε τύπους ελαττωμάτων με λιγότερα δείγματα. Ταυτόχρονα, ενσωματώνεται ο μηχανισμός προσοχής SE για την ενίσχυση της εστίασης του δικτύου σε βασικά χαρακτηριστικά.

IV. Πειραματικά αποτελέσματα και αξία εφαρμογής

Όσον αφορά την τμηματοποίηση εικόνων, το FPCB-LocNet αποδίδει καλύτερα από τις παραδοσιακές μεθόδους τμηματοποίησης όπως η μέθοδος εντροπίας, ο αλγόριθμος watershed και η μέθοδος Otsu κατά την επεξεργασία εικόνων με άνισο φωτισμό, με ακρίβεια τμηματοποίησης που φτάνει το 97,86%. Στην εργασία ταξινόμησης, η συνολική ακρίβεια ταξινόμησης του FPCB-ClaNet για έξι κοινούς τύπους ελαττωμάτων είναι 97,84%.

Πειράματα αφαίρεσης επαλήθευσαν την πραγματική συμβολή κάθε μονάδας: η αύξηση δεδομένων βελτίωσε την ακρίβεια ταξινόμησης, η δειγματοληψία ισορροπημένης κατηγορίας και η μείωση βάρους βελτίωσαν αποτελεσματικά το αποτέλεσμα αναγνώρισης των κατηγοριών ουράς, και ο μηχανισμός προσοχής SE έφερε σταθερή βελτίωση στην απόδοση ταξινόμησης προσθέτοντας έναν μικρό αριθμό παραμέτρων. Τα αποτελέσματα οπτικοποίησης των χαρτών θερμότητας Grad-CAM δείχνουν ότι οι περιοχές ενδιαφέροντος του μοντέλου είναι σε μεγάλη συμφωνία με τις πραγματικές θέσεις των ελαττωμάτων.

Αυτή η μελέτη συνδυάζει την υπερφασματική απεικόνιση με τη βαθιά μάθηση για να δημιουργήσει μια πλήρη αλυσίδα επεξεργασίας από τη λήψη δεδομένων, την τμηματοποίηση εικόνων και τον εντοπισμό ελαττωμάτων έως την ταξινόμηση ελαττωμάτων. Αυτή η μέθοδος μπορεί να ολοκληρώσει σταθερά την εργασία αναγνώρισης των επιφανειακών ελαττωμάτων FPCB χωρίς να βασίζεται σε συγκεκριμένες συνθήκες φωτισμού, παρέχοντας ένα εφικτό τεχνικό μονοπάτι για τη διαχείριση της ποιότητας κατασκευής των εύκαμπτων πλακετών κυκλωμάτων υψηλής πυκνότητας.

Πρόταση προϊόντος: Κάμερα Υπερφασματικής Απεικόνισης FigSpec FS-23

• Ανάλυση εικόνας: 1920*1920
• Φασματικό εύρος: 400-1000nm
• Φασματική ανάλυση (FWHM): 2,5nm
• Αριθμός φασματικών καναλιών: 1200