X ray影像-X-ray 從影像看懂X-ray微米與奈米光管的選擇關鍵

從影像看懂X-ray微米與奈米光管的選擇關鍵
 

隨著電子元件日趨微型化、封裝結構日益複雜，X-ray檢測對成像解析度的要求也同步提升。從傳統微米焦點(microfocus)到進階的納米焦點(nanofocus)技術，焦點尺寸的微小差異，決定了能否清晰捕捉微裂、空焊或材料缺陷等關鍵細節。選擇合適的焦點技術，已成為提升檢測準確性與效率的核心因素。

一、什麼是X射線光管的「焦點」?

X射線檢測的原理，是利用高速電子轟擊金屬靶材產生X光，這個撞擊點稱為「焦點（focal spot）」。焦點越小，所產生的X光束越集中，影像邊緣越銳利，整體解析度越高。因此，焦點尺寸是決定影像清晰度與檢測精度的關鍵技術指標。

二、焦點為何能做到奈米？

微米與奈米焦點的差異，源於電子束控制精度與光學系統設計的根本不同。簡單來說，焦點大小主要取決於以下三個因素：

1. 電子束的聚焦能力&光管結構差異
   
   微米級焦點採用的是單磁透鏡聚焦設計，電子束在靶面上的擴散較大，難以控制在極小面積內產生穩定焦點，解析度受限。相對地，納米級焦點則採用雙重磁透鏡聚焦架構，能對電子軌跡進行極致壓縮與精確調整，讓電子束穩定且集中地轟擊靶材上的極小區域，產生極細的焦點尺寸。
   
   為進一步提升成像品質，奈米級焦點系統在結構設計上加入了準直器（collimator），以控制X射線的發散角度並集中光束，降低邊緣模糊與散射效應。

▲圖一 微米焦點與納米焦點X射線管結構比較，顯示不同電子束聚焦程度

2. 散熱與材料
   
   針對焦點尺寸越小，電子束能量密集所造成的局部溫度急劇升高問題，nanotube採用鑽石基底以提高熱傳導，支撐更小焦點、高電流下的穩定運作。
    
3. 機構與電控精度
   
   納米焦點系統對於機構震動、溫度漂移、電壓波動等極為敏感。系統必須具備高穩定性的光路結構、低雜訊的電源控制，以及環境隔震設計。這些都是傳統微米焦點設備所不具備或不必過度強化的部分。

三、微米光管及奈米光管技術差異

▲圖表一 微米光管與奈米光管在聚焦精度、解析度與應用範圍上的技術比較表

四、為何焦點尺寸差一點，結果差很多

下圖為實際 X-ray 打線檢測影像，分別對應 10 μm、5 μm 與 <1 μm 焦點條件，說明焦點大小與解析能力的關聯性。

• 焦點尺寸 10 μm：基礎可見，但細節模糊

當X射線焦點為10微米時，雖然整體輪廓可辨，但細部結構（如焊點邊緣形狀、空隙、裂縫）呈現模糊，僅適合粗略篩選與大面積缺陷檢查。

▲圖二 使用10微米焦點進行打線X射線檢測，影像模糊細節不清

• 焦點尺寸 5 μm：輪廓清晰，細部漸現

縮小至5微米後，影像邊緣明顯清晰，能看出更多結構細節，像是焊球形狀是否飽滿、是否有變形跡象。

▲圖三 使用5微米焦點進行打線X射線檢測，結構輪廓清晰可辨
 

• 焦點尺寸 <1 μm：連接瑕疵與微細變形一覽無遺

當焦點縮小到納米級（<1 μm），不僅整體輪廓清晰，甚至可以看出金線與焊點之間的微小氣孔、裂紋或不均匀壓痕。

▲圖四 使用小於1微米焦點進行打線X射線檢測，解析度高能檢出微小缺陷