X ray影像-X-ray 从影像看懂X-ray微米与奈米光管的选择关键

从影像看懂X-ray微米与奈米光管的选择关键
 

随着电子元件日趋微型化、封装结构日益复杂，X-ray检测对成像解析度的要求也同步提升。从传统微米焦点(microfocus)到进阶的纳米焦点(nanofocus)技术，焦点尺寸的微小差异，决定了能否清晰捕捉微裂、空焊或材料缺陷等关键细节。选择合适的焦点技术，已成为提升检测准确性与效率的核心因素。

一、什么是X射线光管的「焦点」?

X射线检测的原理，是利用高速电子轰击金属靶材产生X光，这个撞击点称为「焦点（focal spot）」。焦点越小，所产生的X光束越集中，影像边缘越锐利，整体解析度越高。因此，焦点尺寸是决定影像清晰度与检测精度的关键技术指标。

二、焦点为何能做到奈米？

微米与奈米焦点的差异，源于电子束控制精度与光学系统设计的根本不同。简单来说，焦点大小主要取决于以下三个因素：

1. 电子束的聚焦能力&光管结构差异
   
   微米级焦点采用的是单磁透镜聚焦设计，电子束在靶面上的扩散较大，难以控制在极小面积内产生稳定焦点，解析度受限。相对地，纳米级焦点则采用双重磁透镜聚焦架构，能对电子轨迹进行极致压缩与精确调整，让电子束稳定且集中地轰击靶材上的极小区域，产生极细的焦点尺寸。
   
   为进一步提升成像品质，奈米级焦点系统在结构设计上加入了准直器（collimator），以控制X射线的发散角度并集中光束，降低边缘模糊与散射效应。

▲图一 微米焦点与纳米焦点X射线管结构比较，显示不同电子束聚焦程度

2. 散热与材料
   
   针对焦点尺寸越小，电子束能量密集所造成的局部温度急剧升高问题，nanotube采用钻石基底以提高热传导，支撑更小焦点、高电流下的稳定运作。
    
3. 机构与电控精度
   
   纳米焦点系统对于机构震动、温度漂移、电压波动等极为敏感。系统必须具备高稳定性的光路结构、低杂讯的电源控制，以及环境隔震设计。这些都是传统微米焦点设备所不具备或不必过度强化的部分。

三、微米光管及奈米光管技术差异

▲图表一 微米光管与奈米光管在聚焦精度、解析度与应用范围上的技术比较表

四、为何焦点尺寸差一点，结果差很多

下图为实际 X-ray 打线检测影像，分别对应 10 μm、5 μm 与 <1 μm 焦点条件，说明焦点大小与解析能力的关联性。

• 焦点尺寸 10 μm：基础可见，但细节模糊

当X射线焦点为10微米时，虽然整体轮廓可辨，但细部结构（如焊点边缘形状、空隙、裂缝）呈现模糊，仅适合粗略筛选与大面积缺陷检查。

▲图二 使用10微米焦点进行打线X射线检测，影像模糊细节不清

• 焦点尺寸 5 μm：轮廓清晰，细部渐现

缩小至5微米后，影像边缘明显清晰，能看出更多结构细节，像是焊球形状是否饱满、是否有变形迹象。

▲图三 使用5微米焦点进行打线X射线检测，结构轮廓清晰可辨

• 焦点尺寸 <1 μm：连接瑕疵与微细变形一览无遗

当焦点缩小到纳米级（<1 μm），不仅整体轮廓清晰，甚至可以看出金线与焊点之间的微小气孔、裂纹或不均匀压痕。

▲图四 使用小于1微米焦点进行打线X射线检测，解析度高能检出微小缺陷