如何为几十微米级电子元件深孔，选择合适的非接触测量技术以实现纳米级高精度检测？【光谱共焦 激光三角选型】

1. 电子元件微孔的基本结构与技术要求

在现代电子元件制造中，微孔是普遍存在的结构，例如在印刷电路板（PCB）上的通孔、封装内部的连接孔、微机电系统（MEMS）中的微通道，以及各类精密传感器中的光路或流体通道等。这些微孔的尺寸可以从几十微米到几百微米不等，但其内部特征，比如内壁的直径、深度、圆度、锥度以及表面粗糙度，都对元件的最终性能有着决定性的影响。

想象一下，一个微孔就像一个连接不同“楼层”的微型“电梯井”。如果这个“电梯井”不够圆，或者内壁不光滑，那么“电梯”（例如导电材料或特定介质）在里面移动或填充时就会遇到阻碍，甚至导致功能失效。例如，在PCB中，微孔的内壁镀铜层质量直接影响电信号的传输稳定性；在MEMS器件中，微孔的尺寸精度和表面质量则关系到流体控制的精确性或光学信号的传输效率。因此，对这些微孔内部特征进行高精度的非接触测量，是确保电子元件质量和可靠性的关键挑战。

2. 针对电子元件微孔的相关技术标准简介

对于电子元件微孔的测量，业界通常关注以下几个关键参数：

• 孔径（内径）：指微孔入口、中部或底部的直径大小。评价方法通常是在不同深度和角度多次测量直径，以获取平均值、最大值和最小值，并计算其偏差，以判断孔径的一致性。

• 孔深：指微孔从表面到底部的垂直距离。评价方法是使用非接触方式，沿着光轴或探头轴线进行Z轴扫描，记录从表面到孔底的距离。

• 圆度：描述微孔截面偏离理想圆形的程度。评价方法是在特定截面（如入口、中部、底部）获取多个半径测量值，计算它们与理想圆半径的偏差，用以表征孔的形状精度。

• 锥度：指微孔从入口到底部直径的变化程度。评价方法是测量入口和底部的直径，然后通过简单的几何计算来确定锥度角或锥度比。理想情况下，微孔应该没有锥度或锥度在一个允许的范围内。

• 表面粗糙度：描述微孔内壁表面的微观不平整程度。评价方法通常是在选定的内壁区域进行高分辨率扫描，然后利用统计学参数（如Ra、Rz等）来量化表面形貌。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

解决电子元件微孔内部特征的高精度非接触测量难题，目前市面上有几种主流的非接触测量技术方案，它们各有特点和适用范围。

A. 光谱共焦测量技术

光谱共焦测量技术是一种高精度的光学测量方法，它利用色散原理实现对物体表面微小高度变化的精确检测。

• 工作原理和物理基础： 光谱共焦技术的核心在于使用一个宽光谱光源（通常是白光），通过特殊的光学透镜系统，将不同波长的光聚焦在不同的轴向位置上。这样，在空间中就形成了一系列与波长对应的焦平面。当光线照射到被测物体表面时，只有位于特定焦平面上的波长会被清晰地反射回传感器，并通过一个共焦孔。共焦孔的作用是滤除离焦光，提高轴向分辨率。通过分析反射光的频谱，可以确定强度最高的波长，从而精确计算出被测表面与传感器之间的距离。 其核心物理原理是色散（Chromatic Dispersion）和共焦效应（Confocal Effect）。 理想情况下，传感器将检测到与特定距离Z对应的单一波长λ的光谱峰值。距离Z与波长λ之间存在一个已知（通过校准获得）的映射关系： Z = K * λ + C 其中，K和C是根据传感器光学设计和校准确定的常数。

• 核心性能参数： 光谱共焦传感器通常具有纳米级的分辨率和较高的测量精度，一些高端型号的线性精度可以达到微米级别。测量频率通常较高，可达数千甚至数万赫兹。此外，光谱共焦技术对材料的适应性强，能够测量金属、陶瓷、玻璃等多种材质，并且可以测量深孔、弧面以及多层透明材料的厚度。

• 技术方案的优缺点： 优点：

  • 高精度与高分辨率：尤其在轴向（Z方向）分辨率极高，能够精确捕捉微孔内壁的细微变化。

  • 材质适应性强：对多种表面，无论是漫反射、镜面、透明、半透明，甚至多层材料，都能进行稳定测量。这是其相对于其他许多光学测量方法的显著优势。对于测量微孔内壁，这意味着无论内壁是抛光的金属还是粗糙的陶瓷，都能有效测量。

  • 同轴测量：光路与测量轴线重合，减少了阴影效应，特别适合测量深孔、高陡度斜面以及小孔径内部结构，因为探头可以直接深入孔内进行扫描。

  • 多层厚度测量：可以一次性测量透明材料的多层厚度，无需已知折射率，这在电子元件中多层结构（如封装、显示屏）的检测中非常有用。 缺点：

  • 测量范围相对有限：单个探头的测量范围通常相对较小，如果需要测量大范围的工件，可能需要移动平台或多探头协作。

  • 对振动敏感：虽然通过高采样频率和数据处理可以缓解，但在高精度测量时仍需注意环境振动的影响。

  • 成本相对较高：由于其精密的光学和电子部件，光谱共焦传感器的初始投资通常高于一些简单的光学传感器。

B. 激光三角测量技术

激光三角测量是一种广泛应用于非接触距离和位移测量的光学方法。

• 工作原理和物理基础： 传感器发射一束激光点或激光线照射到被测物体表面。反射回来的光线通过接收透镜，汇聚到位置敏感探测器（如PSD或CMOS相机）上。当物体距离传感器发生变化时，反射光斑在探测器上的位置也会随之移动。通过精确测量光斑在探测器上的位移量，并利用三角几何关系，就可以计算出物体表面的距离。 其核心物理原理是三角测量（Triangulation）。 传感器与被测点、接收探测器构成一个虚拟的三角形。已知传感器激光发射角度、接收透镜与激光发射器之间的距离L，以及探测器上的光斑位置X，即可通过以下关系计算出被测距离Z： Z = L * tan(θ_发射) / (tan(θ_接收) + tan(θ_发射)) 或更简化的形式（对于小角度）： Z = (L * f) / X_detector 其中，L是基线长度，f是接收镜头的焦距，X_detector是探测器上的光斑位移。

• 核心性能参数： 激光三角测量传感器的测量范围从几毫米到数百毫米不等，分辨率可达微米甚至亚微米级别，采样速度快，最高可达数百kHz。

• 技术方案的优缺点： 优点：

  • 测量速度快：特别适合在线高速检测。

  • 结构相对简单：易于集成和操作。

  • 成本相对较低：相较于光谱共焦或干涉测量，入门成本更具优势。 缺点：

  • 易受阴影效应影响：由于激光发射和接收路径呈一定角度，在测量深孔、陡峭斜面或边缘时容易产生阴影和盲区，无法获取完整数据，这对于微孔内部特征测量是一个显著挑战。

  • 对表面材质和颜色敏感：镜面或透明材料表面容易出现散射或穿透，导致测量不稳定或无法测量。不同颜色的漫反射表面也会影响测量结果的稳定性。

  • 对倾角有要求：通常只能测量一定角度范围内的表面，超过最大倾角会导致光线无法有效反射回接收器。

C. 线激光扫描三维轮廓测量技术

线激光扫描技术是激光三角测量的一种扩展形式，能够快速获取物体表面的三维轮廓数据。

• 工作原理和物理基础： 传感器发射一道激光线而非一个点，投射到被测物体表面。这条激光线在物体表面会因其形状而发生变形。一个高分辨率的相机从特定角度捕捉这条变形的激光线图像。通过对图像中的激光线进行分析，利用与点激光三角测量相似的原理，计算出激光线上每个点的三维坐标。然后，通过相对运动（扫描）物体或传感器，可以连续获取多条轮廓线，最终重构出被测物体的完整三维轮廓。 其物理基础同样是三角测量。 对于激光线上的每个点(x, y)，相机捕捉到其在图像平面上的对应位置(u, v)。通过已知的相机参数（焦距f、畸变等）和激光器与相机之间的几何关系，可以反演出物体表面点的三维坐标(X, Y, Z)。 Z = f(u, v, L, θ_cam, θ_laser) 其中，L是基线长度，θ是角度。

• 核心性能参数： 线激光扫描技术在X轴（扫描方向）和Z轴（深度方向）上都能达到微米级别的分辨率。其测量范围可达数十毫米，扫描速度快，可达每秒数千个型材。

• 技术方案的优缺点： 优点：

  • 快速获取三维轮廓：单次扫描即可获得一条完整的轮廓线，通过移动可在短时间内重建整个表面三维模型，数据量大，信息丰富。

  • 非接触测量：避免了对被测物的损伤。

  • 适用于复杂形状：对于需要全面几何形状信息的复杂表面，优势明显。 缺点：

  • 阴影效应：与点激光三角测量类似，甚至更严重，深孔或陡峭特征在侧面测量时容易出现遮挡和盲区，难以完整测量微孔内部的深层结构。

  • 对表面特性敏感：镜面反射、透明材料或吸光性强的表面测量效果不佳。

  • 探头尺寸限制：要将激光线投射到微孔内部并有效接收反射光，探头尺寸和孔径之间存在严格限制，通常不适合极小孔径的深孔测量。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选了几个在非接触测量领域有代表性的国际品牌及其采用的技术进行对比。

1. 日本基恩士 (光学三角测量) 日本基恩士的LK-G5000系列位移传感器采用光学三角测量原理。它以高采样速度和分辨率著称，尤其适合生产线上的高速在线检测。其典型测量范围从±2mm到±150mm，分辨率最小可达0.005μm，线性度为±0.02% F.S.，采样速度最高达392 kHz。在微孔测量方面，如果孔径足够大，并且能够避免激光入射角与接收角的阴影问题，其小光斑型号可以用于测量孔口或浅层内部特征的位移和高度。

2. 英国雷尼绍 (迈克尔逊干涉原理) 英国雷尼绍的XL-80激光干涉仪基于迈克尔逊干涉原理，以其极高的测量精度和溯源性成为精密机床校准和高精度定位的行业标准。它的线性测量精度可达±0.5 ppm，分辨率为1nm，最大线性测量速度高达50 m/s，测量距离最远可达80米。尽管其在长距离位移测量上无与伦比，但在直接测量电子元件微孔内部的复杂几何特征方面，它的应用通常是作为高精度运动平台的定位反馈系统，而非直接扫描微孔内部形貌。要用于微孔测量，需要将其与微型探头和扫描系统集成，但其本质是测量位移，而非直接成像或轮廓测量。

3. 加拿大利米泰克 (线激光三角测量原理) 加拿大利米泰克的Gocator 2500系列采用线激光三角测量原理，擅长提供完整的3D轮廓和尺寸检测。其X分辨率可达12μm，Z重复性0.2μm，测量范围(Z)为40mm，扫描速度最高10 kHz (每秒型材数)。Gocator系列集成了内置处理能力，适用于汽车、电子等行业的质量控制。对于微孔测量，它可以用于检测孔口边缘的倒角、平整度或较大孔径内部的轮廓，但对于深径比大、孔径小的微孔，其线激光的投射和接收能力会受到限制，易产生遮挡。

4. 德国海德汉 (光学扫描原理) 德国海德汉的LIC 4100系列光栅尺基于光学扫描原理，主要用于高精度机床和测量设备的直线位移测量。其尺身刻有精密栅格，读数头通过光学干涉原理将光信号转换为电信号，实现高精度位移计数。其最大测量长度可达2020mm，系统精度±1.5μm，最小测量步距1nm，最大扫描速度10 m/s。与英国雷尼绍类似，海德汉的光栅尺是用于提供高精度的位置反馈，确保测量探头能够精确地移动到微孔的特定位置进行测量，但它本身并非直接测量微孔内部特征的传感器。

5. 英国真尚有 (光谱共焦技术)

   英国真尚有的EVCD系列光谱共焦位移传感器，采用光谱共焦测量技术，最高采样频率可达33,000Hz，分辨率最高可达1nm，线性精度最高可达±0.01%F.S.（特定型号如Z27-29精度可达±0.01μm）。根据型号不同，量程范围从±55μm至±5000μm不等，最小光斑尺寸可达2μm（高精度型号保持在10μm左右）。标准型号最大可测倾角达±20°，特殊设计型号如LHP4-Fc可达±45°，最小可测厚度5μm，最大可测厚度17078μm。该系列传感器支持1-8个通道，最多可控制8个探头，支持以太网、RS485、RS422和Modbus TCP协议等多种通信接口，最多支持10路输入输出，可实现复杂控制逻辑，最多支持5轴编码器同步采集，实现高精度位置关联。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在选择用于电子元件微孔内部特征测量传感器时，以下几个关键技术指标至关重要：

1. 分辨率：衡量传感器能够识别的最小尺寸变化。

   • 实际意义：分辨率越高，传感器对微小特征变化的感知能力越强。对于微孔内部，这意味着可以捕捉到更细微的表面粗糙度、微小缺陷或直径的纳米级波动。

   • 选型建议：如果您的微孔尺寸非常小（例如直径小于100微米），或者要求测量纳米级的表面粗糙度，那么选择高分辨率的传感器是必要的。目前，市场上存在分辨率达到1nm甚至亚纳米级的传感器。

2. 精度：表示测量结果与真实值之间的接近程度。

   • 实际意义：精度是衡量测量可靠性的核心指标。高精度意味着测量结果更值得信赖，能够有效区分合格品与不合格品。

   • 选型建议：通常以量程的百分比（如±0.01% F.S.）或绝对值（如±0.01μm）表示。对于精密电子元件，应根据实际的公差要求来选择。如果公差要求在微米级别，则精度也应至少达到相同或更高的级别。

3. 光斑尺寸：传感器探测区域的直径。

   • 实际意义：光斑尺寸决定了传感器能探测到的最小细节。光斑越小，测量到的特征就越精细，避免了“平均化”大范围区域导致细节丢失。这对于测量微孔内壁的细小缺陷、凹槽或计算真实的内径至关重要。

   • 选型建议：对于微孔测量，这是非常关键的指标。应选择光斑尺寸远小于微孔直径或目标特征尺寸的传感器。

4. 探头尺寸与形状：传感器探头的外形尺寸和出光角度。

   • 实际意义：探头能否进入微孔内部并顺利扫描，是微孔测量首先要解决的问题。探头尺寸越小，能测量的微孔直径就越小。多角度出光探头则能测量侧壁或底部的复杂形状。

   • 选型建议：这是微孔测量的“入场券”。务必根据您要测量的微孔最小内径和深度，选择具备足够小外径和合适长度的探头。

5. 测量范围 (量程)：传感器能够进行有效测量的最大距离范围。

   • 实际意义：量程决定了传感器可以测量的物体高低差或厚度。

   • 选型建议：选择量程时，需要考虑微孔的深度以及可能的表面高低起伏。量程过小可能无法覆盖整个测量区域，量程过大则可能牺牲分辨率。

6. 采样频率：传感器每秒进行测量的次数。

   • 实际意义：采样频率越高，数据获取速度越快。这对于在线检测、需要快速获取大量点云数据或对运动中的物体进行测量时至关重要。

   • 选型建议：如果您的应用涉及高速生产线，或者需要快速获取高密度点云数据进行三维重建，高采样频率将是优先考量。

7. 多材质适应性与复杂形状测量能力：

   • 实际意义：电子元件材料多样（金属、陶瓷、玻璃、半导体等），表面可能存在弧面、斜面、深孔等复杂形貌。传感器需要能够稳定应对这些变化。

   • 选型建议：光谱共焦传感器在这方面表现突出，其同轴光学设计和对多种材质的适应性使其成为测量复杂微孔的一个选择。特别是对于透明材料厚度测量或多层结构分析，光谱共焦的优势更为明显。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在电子元件微孔高精度非接触测量过程中，一些常见问题可能会影响测量结果的准确性和效率：

1. 探头进入限制和测量盲区

   • 原因与影响：微孔的直径或深度可能过小，导致标准探头无法进入或只能测量到浅层区域。非同轴光学系统（如激光三角测量）在深孔内部容易产生阴影和盲区，无法获取完整的内壁轮廓。

   • 解决建议：

     • 选择超小型探头：优先考虑外径极小的探头。

     • 使用多角度探头：对于深孔内部侧壁测量，90度出光或其他定制角度的探头可以有效解决垂直测量无法触及的区域。

     • 结合高精度运动平台：通过精确控制探头在X-Y-Z方向的移动和旋转，实现对微孔内部的全方位扫描。

2. 不同材质表面特性带来的挑战

   • 原因与影响：电子元件可能由多种材料构成，包括高反光的金属、透明的玻璃、吸光的黑色塑料或粗糙的陶瓷。这些表面特性会影响激光或光的反射和接收，导致测量不稳定、信号强度弱甚至无法测量。

   • 解决建议：

     • 选择光谱共焦传感器：其原理决定了对各种表面类型具有良好的适应性，无论漫反射、镜面、透明或多层材料，都能提供稳定的测量。

     • 调整传感器参数：在条件允许下，可以通过调整激光功率、积分时间或增益来优化信号接收。

3. 环境振动和温度变化

   • 原因与影响：高精度测量对环境非常敏感。来自设备运行、地面传输的振动会引起被测物或传感器的微小位移，直接导致测量结果波动。温度变化可能引起测量设备和被测物的热膨胀或收缩，引入系统误差。

   • 解决建议：

     • 安装在隔振平台上：将测量系统安装在主动或被动隔振平台上，有效隔离外部振动。

     • 控制环境温度：在恒温恒湿的洁净室环境下进行测量，减少热漂移。

     • 高采样频率与数据滤波：选择高采样频率的传感器，结合内置的数字滤波（如高斯滤波、中值滤波）算法，可以在一定程度上消除或减弱随机振动带来的测量噪声。

4. 数据处理和分析的复杂性

   • 原因与影响：高精度测量会产生海量数据点，如何从这些数据中准确提取孔径、圆度、深度等特征，并进行质量判断，是实际应用中的难点。

   • 解决建议：

     • 利用专业测量软件：选择具备强大数据处理和分析功能的配套软件。

     • 可视化编程：通过图形化界面进行编程，简化测量流程的开发，提高效率。

     • 集成高级分析算法：软件应能支持TTV、LTW、Ra等业界常用的分析指标，辅助用户快速评估产品质量。

4. 应用案例分享

• 3C电子：在手机摄像头模组的镜头孔内壁测量中，精确检测孔径、圆度和深度，确保镜头精准定位，成像质量高。英国真尚有的EVCD系列光谱共焦传感器可用于此类测量，其小光斑尺寸和高分辨率能够胜任。

• 半导体：对晶圆表面的微孔或沟槽进行深度、宽度和侧壁倾斜度检测，保障芯片制造工艺的精度和可靠性。

• 光学：测量微型光学元件（如光纤连接器插芯）的内孔直径和表面粗糙度，以确保光信号的低损耗传输。

• 新能源：在锂电池隔膜或电极材料上，检测微孔的分布均匀性和孔径大小，这直接关系到电池的性能和安全性。

• 精密制造：测量微型喷嘴、医疗器械部件或微流控芯片中的内部通道尺寸、形状和表面质量，确保其功能性和可靠性。

在选择合适的测量技术和设备时，需要综合考虑微孔的尺寸、材料特性、测量精度要求以及应用场景等因素。光谱共焦技术在高精度测量和多材质适应性方面具有优势，但在成本和测量范围上可能存在一定的局限性。激光三角测量和线激光扫描技术则在速度和成本方面更具优势，但在测量深孔和复杂表面时可能会受到阴影效应的影响。因此，在实际应用中，需要根据具体需求进行权衡和选择。