摘要：质量是航天事业的生命。随着我国航天事业的快速发展，航天产品结构日益复杂、功能日趋完善，大量小型轻量低功耗的精密电子设备投入使用，这对单一元器件质量可靠性和产品整体质量可靠性提出了更高的要求，专家学者设计了大量的方案或者实验来获取表征可靠性的性能参数，以提高产品

质量是航天事业的生命。随着我国航天事业的快速发展，航天产品结构日益复杂、功能日趋完善，大量小型轻量低功耗的精密电子设备投入使用，这对单一元器件质量可靠性和产品整体质量可靠性提出了更高的要求，专家学者设计了大量的方案或者实验来获取表征可靠性的性能参数，以提高产品可靠性。

多年来，“多余物”作为航天筛查检测中的“敏感”词汇，常常伴随着航天人“千里之堤，溃于蚁穴”的感慨，这也从侧面诠释了多余物对航天系统局部乃至整体产生的致命伤害，严重影响了其可靠性。实际上，多余物的存在，将给产品带来随机性的故障隐患。

例如，有些多余物因静电、磁性吸附或者卡在产品某个组件的狭小部位，在初始质检时很难发现，当产品上机试验或者发射时，因剧烈振动、失重等运动状态因素变化而被激活成游离态，由潜在的威胁变成实际的破坏；多余物对于航天产品可能造成整机测试故障甚至导致发射的延迟或失败，对于国防军工产品则可能会直接影响到武器装备战术性能的正常发挥，减弱部队的战斗力。

要解决多余物问题，最有效的方法是控制其产生的源头。但是，由于我国元器件的总体设计理论相对薄弱，生产工艺相对落后，对多余物的控制效果并不理想，很难保证密封元器件或者装置中不出现多余物。因此，现阶段高效检测便是提高产品出厂质量、增加可靠性、降低产品因多余物造成损失的优秀方法之一。

多余物检测是指在生产过程中，对产品中不符合规定的、不需要的物品进行检测和筛选的过程。一般来说，对于宏观多余物（较大质量多余物）的检测方法有：

①看，目测或用电筒、反光镜、内窥镜（直杆镜、光纤镜、视频镜）、低倍放大镜、射线成像以及超声波查看，该方法需要先掌握产品的规定状态，多余物均可通过与规定状态进行对比检查和确认，如图1所示为某航天产品导管内的三种典型的多余物。

②听，用手摇晃产品或者固定产品在转动装置上慢慢转动，听多余物响声。

③试纸法检查，主要是对被测物空气中的油蒸气含量进行检查，是一种压缩空气质量检测。

④荧光法检查，主要是利用油脂在紫外线的照射下会发光的特性，进而实现对零（部）件的外表面是否含有油脂多余物的检查。

⑤沉积颗粒取样板检查，主要检查航天器内部沉积的多余物含量。

⑥颗粒计数器检查，主要检查航天器内部环境的悬浮颗粒多余物的含量。

⑦有害气体检测仪，主要检查航天器内部的有害气体多余物的含量。

对于微观多余物（较小质量多余物）检测方法主要有：①密封之前的高倍显微镜检查；②密封之后的射线检查（被测多余物应具有射线不可穿透性）；③MATRA检测法（需要上电测试功能）；④颗粒碰撞噪声检测（PIND）方法（可承受振动与冲击特性）。

图1 某航天产品导管内的三种典型的多余物

由于现有规章制度和技术的发展，宏观多余物一般在生产阶段基本可以排除。因此，本文着重对显微镜检查方法、射线检查方法、MATRA方法以及颗粒碰撞噪声检测方法进行论述。

该显微镜检查主要涉及的设备是扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）。检查的项目是对一些极其微小且难以直接辨识的多余物，通过发现多余物、获取多余物、制作多余物镜检样片来进一步确定多余物的材料成分，进而对多余物溯源，并从源头上消除多余物的引入与影响。

在过去的几十年中，随着计算机视觉技术的不断发展，多余物检测已经逐渐从传统的人工检测转向自动化检测，这种检测方法不仅可以提高检测效率，还可以减少人为因素对检测结果的影响。

电子元器件射线检查（ray inspection）法主要涉及的设备是X射线透视仪和中子射线透视仪，X射线光子作用于物质原子核外电子，而中子射线直接作用于原子核。由于与物质作用的机理不同，X射线与中子射线成像特性存在着很好的互补性。二者都是根据射线在不同材质成分上的透过能力不同的原理研发。

对于X射线透视仪，当试样被激发，受激发样品中的每一种元素会放射出二次X射线（又叫X荧光），此时根据测量被测样品激发出的二次X射线的特征参量（能量特性或波长特性）不同，又可分为波长色散谱型（WD-XRF）和能量色散谱型（ED-XRF）。

在多余物检查的场景下，对于部分静止的内嵌型多余物，主要使用射线透视仪测量透过被检测物的光束强度，来检测物品中是否含有不同于产品本身物质成分的异物。图2给出了不同入射射线光源的二维与三维探测仪阵列原理。图3给出两种不同类型的X射线仪器工作原理。

图2 不同入射射线光源的二维与三维探测仪阵列原理示意图

图3 X射线荧光光谱仪工作原理示意图

对于可动多余物，通常采用两次照片对比的方法，摆动前照相一次，摆动被测物后再照相，通过前后两次照片中物体的位置变化情况来判断是否存在可动多余物。对于附着在材料上的静止（固定）多余物，可以通过标准件的透视图像和待测件进行对比处理，以确定是否存在多余物。其中涉及光电技术、数字信号处理、图像信息处理和智能算法等技术，最终实现精确检出的目的。

由于不同射线在不同材质成分上的透过能力不同，设备和方法的选择应根据不同的被检对象的材料和结构具体选定。在一些特定的场合，也使用中子/X射线同步扫描系统，例如大型进出口检查站。在航天生产中，针对电子元器件多余物的射线检查，以X射线的二维照相法应用最为广泛。三维X射线数据是一个空间中的虚拟体积区域，由许多二维X射线投影在样品绕轴旋转时重建而成，如图2c所示。

对于多余物检测三维照相法，20世纪90年代杨春亭等提出以二进小波变换的系数作为匹配基元，匹配算法从全局匹配的相容性和匹配基元局部属性的相似性两个方面解决模糊匹配的问题，进而实现多余物的检测与定位。该方法是以多余物X射线透视图像为研究对象，而获取高可靠的图像信息是难以实现的，其实用性受到影响。

但是，随着计算机软硬件技术和图像信息处理技术的发展，电子计算机断层扫描（CT）的三维可视化技术日益成熟，已经成为部分故障分析检测中重要的辅助工具。在多余物检测过程中，虽然三维可视化技术能提高图像的识别效果，但由于其单次成本较高、检测要求较多等原因，未被广泛推广与使用。图4分别给出了塑料封装微电子器件内残留物的二维X射线图像与基于计算机数字成像技术处理的三维X射线图像。

图4（塑料封装微电子器件内残留物）二维X射线图像与基于计算机数字成像技术处理的三维X射线图像

欧洲航天局（简称欧空局，ESA）在一次名为“MATRA ESPACE”的会议上讨论了一种新型多余物检测方法，记为MATRA方法。MATRA方法不同于颗粒碰撞噪声检测方法，它是一种上电检测法。借助一定的振动条件，通过测量被测样品的工作状态的变化来检测样品中是否含有多余物。因此，MATRA方法是一种从多余物微粒对元器件功能危害的角度入手进行多余物检测的方法。

1972年，B. T. French等利用专门的振动与测量的方法发明了用于检测导电微粒引发电路失效故障的设备。其方法是将检测电路安装在振动台上，通过设置专门振动与冲击模式以及至多60个实时短路测试电路来最大限度地检测IC模块中的多余物。图5所示为导电微粒导致短路的检测电路示意图。

进一步地，由于多余物存在，当IC的引脚与引脚或者引脚对地之间发生短暂短路，电位则立刻锁存，指示二极管将会被点亮，以此来说明电路是否存在短路故障并判断导电微粒是否存在。事实上，这是MATRA方法的最早雏形。欧空局在解决航天元器件的多余物检测问题时，正是在借鉴该方法的基础上大力发展了MATRA方法。

图5 导电微粒导致短路的检测电路示意图

MATRA方法的基本原理是通过振动台提供一系列的振动与冲击试验环境，效仿元器件在航天器实际工作环境中的力学条件。在该环境中实时监测航天元器件的接触电阻、绝缘电阻等静态参数。通过监测参数测试值是否异常，来检测是否存在危害航天元器件正常功能运行的多余物。图6给出了基于MATRA方法的多余物检测原理示意图。

图6 基于MATRA方法的多余物检测原理示意图

显然，MATRA方法的故障判断准则是触点“该断未断，该合未合”。因此，对于能够卡在触点之间的微粒的检测效果最好、灵敏度最高。由于多余物粒子在被测元器件内部随机运动，只有当多余物粒子运动到触点之间这样的特殊位置时才能影响被测元器件的功能特性，此过程存在一定概率，因此该方法需要反复测试多次。此外，由于MATRA方法需要为每一种被测元器件准备分析电路，导致测试成本和对操作人员的要求较高。因此，该方法在后续的应用中未能被推广与普及。

颗粒碰撞噪声检测是一种基于振动碰撞的多余物检测方法，该方法面向的对象主要是密封电子元器件和半导体电路以及中小型可振的元器件。图7所示为颗粒碰撞噪声检测原理框图，图中包含声音传感器（能量信号采集）、振动台（产生冲击与振动的力学条件）、采集系统（信号获取与初步处理）、计算机（信号计算与测试）结果屏幕展示。

图7颗粒碰撞噪声检测系统原理框图

颗粒碰撞噪声检测的原理是由振动台产生一系列冲击和振动，从而激活被测样品内部多余物颗粒。颗粒在被测样品腔体内壁产生碰撞能量，声发射传感器（AES）将碰撞能量转换成电压信号数据输出，并通过信号数据采集与处理系统进一步输出至示波器和扬声器，判别被测样品内部是否存在多余物。根据不同的被测样品类型、被测样品腔体的大小，应选用不同的试验条件。

因为振动台的振动条件对于粒子的运动形式具有相关性。当振动台工作在被测样品对应的最佳振动频率上，即合适的试验条件，可以优化被测样品腔体内多余物的碰撞效果。在被测样品振动的过程中，多余物可能会因为卡在腔体结构内部，或因静电吸附在腔体内部，从而停止与腔体内壁的碰撞。因此，当振动结束后，振动台会产生冲击，将多余物颗粒从结构中游离出来，提高多余物检出概率。

颗粒碰撞噪声检测系统中的声发射传感器至关重要。颗粒碰撞噪声检测系统中传感器的最早型号是Dunegan/Endevco S140谐振式窄带声发射传感器。窄带谐振式声发射传感器对某些频率带信号敏感，灵敏度较高并且有很高的信噪比。例如，美国SD（Spectral Dynamics）公司的声音传感器使用代号为PZT5A的压电陶瓷晶体制成，其谐振频率为150～160 kHz，并在该频率带内某一点峰值灵敏度为 (-77.5±3) dB·V/μbar。图8给出了谐振式窄带声发射传感器的典型结构。

图8谐振式窄带声发射传感器结构示意图

除了以上提出的各种间接检测或者定位方法以外，还可以通过物理方法打开元器件密封壳或者外部包裹物，直接从元器件内部提取出多余物颗粒，结合后续的成分分析手段获得多余物的材质信息，即多余物直接（提取）识别法。

直接（提取）识别法主要通过多余物提取和成分分析两步进行，优点在于能够识别多余物的多种特性，而且识别精度高；缺点是多余物提取过程繁琐，成功率较低，而且需要破坏被测元器件，只适用于个别样品的研究，厂家无法获得所有多余物的种类和每种多余物的分布概率等信息。

目前，直接（提取）识别法主要采用的开壳方式包括开帽（盖）捕捉法、开洞灌封法以及开洞颗粒碰撞噪声检测捕捉法。

①开帽捕捉法是指用研磨、钢锉、车床加工等方式，磨薄元器件外壳厚度，或去掉外壳边缘；用锋利的刀片，在磨薄的部位或外壳边缘划开外壳，通过显微镜观察等方法取出多余物。开帽捕捉法适用于提取尺寸较大的多余物，特别是对于某些不可动多余物的提取，目前只能使用开帽捕捉法。

②开洞灌封法是在外壳上开洞，由洞口处灌封能固定可动多余物的材料（如环氧树脂或透明的胶等），去掉外壳并对已固定的可动多余物的灌封材料逐渐精细研磨，寻找可动多余物。图9给出了某晶体管厂的元器件金属外壳开洞装置工装示意图。

图9 某晶体管厂的元器件金属外壳开洞装置工装示意图

③开洞捕捉法是指在元器件外壳表面，使用钻头小心地钻一个洞，取出洞口毛刺后，用表面清洁、无污渍的双面胶一面封住洞口，另一面粘在颗粒碰撞噪声检测的振动台上，对被测继电器进行颗粒碰撞噪声检测试验。当可动多余物通过洞口粘在双面胶表面后，颗粒碰撞噪声检测检测仪显示合格。这时取下胶带，仔细检测胶带表面洞口位置，即可得到多余物。

开洞法比开帽法引入多余物的可能性减小，但由于需要可动多余物运动到洞口附近，并粘在双面胶上才能成功，往往需要经过反复多次颗粒碰撞噪声检测试验才能得到多余物，而且对于不可动多余物无效，所以开洞捕捉法主要适用于提取元器件内的可动多余物。

相比之下，直接（提取）识别法的精度较高，获得多余物的信息相对丰富，其不足在于获取多余物的过程复杂，要保证开壳过程中不引入新的多余物难度较大，而且需要破坏被测元器件封装壳，属于有损检测。间接识别法虽然检测准确性低于直接法，获得的多余物信息量较单一，但是由于间接识别法不必破坏被测元器件，属于无损检测。间接识别法检测效率相对较高，适用于大批量元器件产品中多余物的识别，受到元器件生产厂家的欢迎。

本文摘编自《电工技术学报》，原文标题为“密封电子元器件与装置多余物检测发展综述”。

来源：电气技术