如何为复杂PCBA组件选择合适的3D检测方案，实现±5μm高精度测量并兼顾SMT产线效率？【质量控制，自动化】

第1部分：电路板组件的基本结构与技术要求

在电路板（PCB）上，组件就像是搭建在一块精密土地上的各种建筑。它们种类繁多，从微小的电阻、电容到复杂的集成电路芯片，以及连接它们的焊点，都构成了电路板的“地形”。这些组件不仅尺寸各异，形状也千差万化，有些是方方正正的，有些带有复杂的引脚，还有些是圆柱形或异形的。

这些“建筑”的厚度或高度测量为什么重要呢？想象一下，如果一个高楼（组件）没有准确地安装在指定的高度，或者它下面的地基（焊点）不够厚实，甚至歪斜，那整个电路板的功能就可能受到影响，甚至导致设备故障。比如，一些高精度组件对其离板高度有严格要求，过高或过低都可能影响其电气性能或机械强度。再比如，BGA、QFN这类封装的芯片，其焊点隐藏在组件下方，外部无法直接看到，但这些焊点的高度和形貌直接关系到连接的可靠性。因此，对这些复杂异形组件进行高精度、可靠的厚度（或高度）测量，是确保产品质量的关键一环。

第2部分：针对电路板组件的相关技术标准简介

为了确保电路板组件的质量和可靠性，行业内制定了一系列标准来规范其监测参数。这些参数主要关注组件在电路板上的物理状态，包括：

• 组件高度/厚度 (Component Height/Thickness)：这是指组件从电路板基准面到其最高点的垂直距离，或者是组件自身的垂直尺寸。测量这个参数可以判断组件是否符合设计要求，是否有过度变形或安装错误。其评价通常涉及设定一个允许的偏差范围，超出范围即为不合格。

• 共面性 (Coplanarity)：特别针对引脚型或球栅阵列（BGA）型组件，共面性是指所有接触点（引脚末端或焊球）是否在同一个平面内。如果共面性差，会导致部分引脚或焊球无法与焊盘良好接触，形成虚焊或开路。评价方法通常是测量最高点与最低点之间的垂直距离差，要求这个差值在一个极小的范围内。

• 翘曲度 (Warpage)：电路板或大型组件在制造或受热过程中可能会发生平面变形，即翘曲。这会影响组件的安装精度和后续的可靠性。翘曲度通常通过测量板面或组件表面的最大高低差来评价。

• 锡膏厚度 (Solder Paste Thickness)：在SMT（表面贴装技术）工艺中，锡膏印刷的厚度至关重要。过厚或过薄都会影响焊点的形成质量，导致短路或开路。评价通常通过测量锡膏区域的平均厚度和局部均匀性。

这些参数的定义和评价方法都是为了量化组件的质量状况，帮助我们识别潜在缺陷，确保最终产品的性能和稳定性。

第3部分：实时监测/检测技术方法

在电路板组件的厚度测量领域，市面上有多种先进的技术方案。针对高精度复杂异形组件的可靠测量，激光位移传感器与超声波传感器相比，激光位移传感器无疑更胜一筹，因为它能提供更高的精度、更快的速度以及对微小异形特征的更强适应性。超声波传感器在测量薄层和微小结构时，会受限于声波波长和介质耦合等问题，难以达到电路板组件所需的微米级精度。

（1）、市面上各种相关技术方案

这里我们将深入探讨几种主流的测量技术，它们各有所长，但都服务于电路板组件的质量检测。

激光三角测量技术（基于激光位移传感器）

想象一下，你拿着一个激光笔，笔尖射出的小光点打在桌面上。当你移动激光笔，光点也会跟着移动。如果桌面不是平的，而是有高低起伏，那么当光点打在不同高度时，它的反射角度也会略有不同。激光三角测量技术就是利用这个原理来测量物体距离和厚度的。

工作原理和物理基础：

激光三角测量系统通常由一个激光发射器、一个接收透镜和一个光敏探测器（如CMOS或CCD）组成。激光器发出一束集中的光线，投射到被测物体的表面形成一个微小光斑。这个光斑在物体表面上会发生漫反射，反射光线通过接收透镜汇聚，投影到光敏探测器的不同位置。

当被测物体表面距离发生变化时（例如，组件的厚度变化导致表面高低起伏），反射光斑在光敏探测器上的位置也会相应移动。由于激光器、接收透镜和探测器之间的几何关系是固定的，形成了一个稳定的“三角”结构。通过测量光斑在探测器上的位移量，就可以精确计算出被测物体表面相对于传感器的距离。

其核心物理基础是光学几何和三角函数。假设：* L：激光发射器与接收透镜之间的距离。* $ heta_1$：激光束与基准线（垂直于物体表面）的入射角度。* $ heta_2$：接收透镜光轴与基准线的角度。* $d$: 光斑在探测器上的位移。* $f$: 接收透镜的焦距。* $h$: 被测物表面相对于基准面的高度变化。

一个简化的关系式可以表示为：$h approx (d cdot cos( heta_2)) / (sin( heta_1) + sin( heta_2))$这个公式说明，光斑在探测器上的位移 $d$ 与被测物体表面的高度变化 $h$ 成正比。通过精确测量 $d$，就可以计算出 $h$。

核心性能参数的典型范围：

• 精度：激光测量精度通常在±0.02mm~±0.1mm，优质系统可达±0.015mm。

• 分辨率：高分辨率系统可达测量范围的0.01%甚至更高，意味着能检测到非常微小的距离变化。

• 采样速度：采样速度从几KHz到几十KHz不等，能够满足不同的检测需求。

• 光斑大小：部分激光位移传感器提供多种光斑尺寸选择，小光斑可以精确测量微小特征。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 非接触式：避免对被测物体造成损伤或污染。

  • 高精度、高分辨率：尤其适合测量电路板上精密、微小的组件。

  • 测量速度快：能实现高速在线检测，提高生产效率。

  • 适用性广：对于各种颜色、材质（金属、陶瓷、塑料等）的物体表面都有较好的适应性，只要表面不是完全镜面反射或完全透明。

  • 灵活：通过调整光斑大小和量程，可以适应不同尺寸和形状的组件。

• 局限性：

  • 受表面特性影响：对于镜面反射（可能导致光斑发散或接收不到）和透明材料（激光可能穿透）测量效果不佳，需要特殊处理或选择特定波长的激光。

  • 遮挡问题：复杂异形组件可能存在阴影或遮挡区域，导致部分区域无法测量。

  • 成本考量：高精度激光位移传感器的成本相对较高。

机器视觉技术

机器视觉系统就像一个拥有“火眼金睛”的质检员。它通过工业相机拍摄电路板的“照片”，然后由电脑里的“大脑”——图像处理算法——来分析这些照片，判断组件是否完好、位置是否正确。对于厚度测量，它通常需要搭配激光轮廓传感器或结构光投影来实现3D检测。

工作原理和物理基础：

在基本的2D机器视觉中，通过高分辨率工业相机获取电路板的二维图像。图像处理算法对这些图像进行分析，例如边缘检测来确定组件的轮廓，模板匹配来识别组件类型和方向，特征提取来量化组件的尺寸和位置。

当需要进行3D高度或厚度测量时，机器视觉系统会与激光轮廓传感器或结构光投射器结合。激光轮廓传感器会投射一条激光线到物体表面，当物体表面有高低起伏时，这条激光线在图像中会发生弯曲变形。通过分析激光线的变形，结合三角测量原理，可以重建出物体表面的3D轮廓。结构光技术则是投射具有特定图案（如条纹、点阵）的光线到物体表面，利用光线变形来计算3D形状。

核心性能参数的典型范围：

• 相机分辨率：从百万像素到数千万像素，决定图像细节的捕捉能力。

• 检测速度：取决于系统配置和检测算法复杂度，可达每秒处理多块电路板。

• 测量精度：2D测量精度通常在几十微米，3D测量精度可达微米级。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 检测项目多样：除了厚度/高度，还能检测组件的在位、方向、颜色、字符等多种缺陷。

  • 非接触式：对被测物无损伤。

  • 自动化程度高：适合在线批量生产。

  • 直观：提供图像信息，便于人工复核。

• 局限性：

  • 复杂性高：需要强大的图像处理算法和计算能力。

  • 环境敏感：对照明、反射等有要求，可能会受阴影、反光影响。

  • 3D测量需额外硬件：单纯的2D视觉无法直接进行高精度厚度测量。

3D自动光学检测（AOI）系统

3D AOI系统就像一个能多角度、立体观察的“智能医生”。它不仅看清了组件的“正面照”，还能通过特殊的“光影戏法”——结构光投影，来感知组件的“高低起伏”，从而更全面地诊断电路板组件的健康状况。

工作原理和物理基础：

3D AOI系统采用多角度、多光源照明，结合高分辨率彩色相机，并通过结构光投影和图像三角测量原理获取电路板表面组件的3D高度和形貌数据。结构光投影仪会将特定的图案（如一系列黑白条纹）投射到被测物体表面。当这些条纹投影到有高低起伏的物体表面时，会发生扭曲和变形。相机从不同角度捕捉这些变形后的图案。

通过分析这些图案的变形程度和相位信息，系统可以利用三角测量原理精确计算出物体表面上每一点的三维坐标。这个过程通常涉及复杂的相位测量轮廓术或傅里叶变换轮廓术。

核心公式基于结构光投影的相位信息与高度的对应关系，通常形式为：$ heta_2$0 (其中 f 为系统标定参数，$ heta_2$1 为相位差)通过这种方式，系统能够重建出组件表面的完整3D形貌。

核心性能参数的典型范围：

• 检测速度：根据任务和配置，每秒可检测数十平方厘米的面积。

• 3D测量精度：能够识别微米级的高度差异。

• 缺陷识别率：结合AI算法，具有高识别率和低误报率。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 全面3D检测：能够检测组件的高度、体积、共面性、翘曲等所有3D特征，以及2D缺陷。

  • 非接触式、自动化：适合SMT生产线上的高速质量控制。

  • 高精度、低误报：结合AI算法，有效提升缺陷识别能力。

  • 早期发现缺陷：在生产线上能及早发现问题，避免缺陷品流入下游。

• 局限性：

  • 成本较高：系统复杂，投入成本相对较高。

  • 编程复杂：对于复杂的电路板和组件，检测程序的编写和优化需要专业知识。

  • 受阴影影响：某些复杂结构可能产生阴影区域，影响测量。

自动X射线检测（AXI）系统

AXI系统就像给电路板拍“X光片”。它能穿透组件的外表，直接看到内部的结构，尤其是那些肉眼或光学方法无法观察到的隐藏焊点，例如BGA芯片下方的锡球。

工作原理和物理基础：

AXI系统通过发射X射线穿透电路板和组件。X射线是一种高能量电磁波，能够穿透材料。当X射线穿过物体时，不同材料对其吸收率不同（密度越大、原子序数越高的材料吸收越多）。X射线探测器捕捉透射过物体后的X射线，并将其转换为数字图像。

例如，焊锡对X射线的吸收率远高于常见的PCB基材和组件封装材料。因此，在X射线图像中，焊点会显示为较亮的区域。通过分析这些高分辨率的透射图像，可以检测到组件下方的焊点质量（如气泡、短路、开路、焊点形状），以及组件内部结构缺陷和缺失。

核心性能参数的典型范围：

• X射线源：微焦点或纳米焦点X射线管，提供极高分辨率的图像。

• 探测器：平板探测器（FPD），提供高分辨率数字图像。

• 检测速度：取决于配置和程序，但通常比光学检测慢。

• 图像分辨率：能够清晰显示微小内部缺陷。

• 检测角度：可进行倾斜角度观测（通常为±70度或更大），以实现全方位检测。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 穿透性强：能够检测到光学方法无法看到的隐藏缺陷，如BGA、QFN封装下的焊点。

  • 无损检测：对被测物无损伤。

  • 提供内部结构信息：对内部缺陷的诊断具有独特优势。

  • 高可靠性：尤其适用于复杂高密度PCBA的质量控制。

• 局限性：

  • 成本极高：X射线设备价格昂贵，维护成本高。

  • 安全性要求：涉及X射线辐射，需要严格的安全防护措施。

  • 检测速度相对慢：不适合所有在线高速检测场景。

  • 只能看内部结构：不能直接提供外部高度/厚度信息，需要通过图像分析间接推断。

（2）、市场主流品牌/产品对比

以下是针对电路板组件测量领域，采用上述不同技术的一些国际主流品牌及其特点。

• 日本基恩士 (采用机器视觉技术，部分结合3D测量) 日本基恩士在传感器和机器视觉领域享有盛誉，其XG-X系列图像处理系统通过高分辨率工业相机捕捉电路板图像，结合先进的图像处理算法进行分析。它能够对组件的形状、颜色、位置、尺寸进行2D检测，判断组件是否在位、方向是否正确等。在需要3D高度信息时，常配合激光轮廓传感器或结构光投射器，实现更精确的3D高度检测。其相机分辨率最高可达2100万像素，系统稳定可靠，在高速、高精度检测方面表现突出，适合在线批量生产环境，能够快速识别组件缺陷和在位情况。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量技术) 英国真尚有ZLDS100RD系列激光位移传感器是一款紧凑的铝制外壳传感器，采用激光三角测量原理。该系列提供多种光斑大小（最小小于0.06mm，最大大于1mm）以适应不同应用需求。部分型号采样速度高达70KHz，分辨率达0.01%，线性度最高为0.03%。此外，该系列传感器提供多种量程中点选择，并支持RS422或RS485数字输出接口。

• 德国威视康 (采用3D AOI技术) 德国威视康S3088 ultra gold 3D AOI系统是3D AOI领域的佼佼者。它采用多角度、多光源照明结合高分辨率彩色相机，通过结构光投影和图像三角测量原理获取电路板表面组件的3D高度和形貌数据。该系统能够对组件的完整性、极性、焊点质量等进行全方位的自动光学检测。其独特的3D 6D测量技术结合人工智能算法，提高了缺陷识别率和误判率。检测速度最高可达50 cm²/秒，能识别微米级高度差异，在SMT生产线上是关键的质量控制工具，有效提升生产良率。

• 意大利思佩亚 (采用AXI技术) 意大利思佩亚4060系列自动X射线检测(AXI)系统在检测隐藏缺陷方面表现卓越。它通过发射X射线穿透电路板和组件，利用X射线探测器捕捉透射图像。由于不同材料对X射线的吸收率不同，系统能够生成高分辨率的内部结构图像，从而检测到在位组件下方（如BGA、QFN等）的焊点质量、气泡、短路、开路以及组件内部结构缺陷和缺失。其X射线源通常为微焦点或纳米焦点，探测器为平板探测器，可提供高分辨率图像，并支持倾斜角度观测（通常为±70度或更大），实现对隐藏缺陷的非接触式检测。

（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

在为电路板组件的厚度测量选择合适的设备或传感器时，以下几个关键技术指标是必须仔细考量的：

• 测量精度 (Accuracy)：

  • 实际意义：它表示测量结果与真实值之间的最大偏差。精度越高，测量结果越接近实际情况。

  • 影响：对于电路板组件这种要求微米级甚至亚微米级公差的应用，高精度是决定产品合格与否、功能是否稳定的基础。如果精度不足，即使组件存在细微的尺寸偏差也可能无法被发现，导致缺陷产品流入市场。

  • 选型建议：对于高精度复杂异形组件，建议选择精度达到个位数微米（例如±1μm至±10μm）的激光位移传感器或3D AOI系统。

• 分辨率 (Resolution)：

  • 实际意义：指传感器能够检测到的最小尺寸或距离变化量。分辨率越高，传感器能感知的细节越精细。

  • 影响：分辨率决定了传感器能否“看到”组件上微小的特征和细微的高度变化，例如焊盘边缘的轻微翘起或锡膏的微小厚度差异。

  • 选型建议：应选择分辨率达到测量范围0.01% F.S.甚至更高的传感器，以确保能够捕捉到电路板组件上的微小变化。

• 线性度 (Linearity)：

  • 实际意义：指传感器在整个测量量程内，输出信号与实际位移之间关系的直线程度。完美的线性度意味着输出值与被测值之间是严格的线性关系。

  • 影响：线性度差会导致测量结果在不同量程位置出现系统性误差，尤其是在测量范围较宽时，会影响测量的整体准确性。

  • 选型建议：选择线性度优于0.05% F.S.的传感器，以保证在整个测量范围内都能获得可靠的读数。

• 采样速度 (Sampling Rate/Measurement Speed)：

  • 实际意义：指传感器每秒能够完成多少次测量。

  • 影响：对于高速生产线上的在线检测，高的采样速度至关重要，它决定了生产节拍和检测效率。如果采样速度过慢，可能会成为生产瓶颈，或者无法在组件通过检测区域时获取足够的测量数据。

  • 选型建议：在线检测应考虑采样速度在几十KHz甚至更高的传感器。

• 光斑大小 (Spot Size)：

  • 实际意义：激光传感器投射到物体表面的光点直径。

  • 影响：小的光斑尺寸能够测量微小特征和狭窄区域，如组件的引脚、焊点或电路板上的细微痕迹。如果光斑过大，则可能覆盖多个特征，导致测量结果不准确。

  • 选型建议：对于微型组件和精密特征，应选择光斑直径小于0.1mm，甚至更小的传感器。

• 材料兼容性与表面特性适应性：

  • 实际意义：传感器对不同颜色、反射率、透明度或粗糙度表面材料的测量能力。

  • 影响：电路板组件的材料和表面处理多种多样，从光亮的金属引脚到哑光的封装材料，甚至透明的胶水。如果传感器对某种表面不兼容，就无法获得准确读数。

  • 选型建议：优先选择对多种表面具有良好适应性的传感器。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了高性能的测量设备，在实际应用中也可能遇到一些挑战。

• 问题1：组件表面反光或吸光不均

  • 原因及影响：电路板上的组件可能由多种材料构成，如光亮的焊盘、哑光的封装体、黑色芯片等，它们对激光的反射率和吸收率差异很大。这会导致传感器接收到的信号强度不一，影响测量稳定性和精度，甚至造成“测量盲点”。

  • 解决建议：

    1. 选用多输出功率或可调功率传感器：如具有多种输出功率选项的激光位移传感器，可根据不同材料调整激光功率，优化反射信号。

    2. 倾斜安装或多角度测量：对于镜面反射较强的表面，尝试将传感器稍微倾斜安装，避开正反射，捕捉漫反射光。

    3. 使用偏振滤光片：减少杂散光和镜面反射的影响。

    4. 选用特殊波长激光：某些波长的激光对特定材料的穿透或反射特性更优。

• 问题2：复杂异形组件的阴影遮挡

  • 原因及影响：电路板上组件密度高、形状复杂时，高大的组件可能会在较低的组件或焊盘上形成阴影，遮挡传感器的视线，导致无法测量或测量数据不完整。

  • 解决建议：

    1. 多传感器协同测量：在不同角度或位置安装多个传感器，对同一区域进行测量，互补数据。

    2. Z轴移动扫描：让传感器在Z轴方向上进行扫描，获取不同高度的截面信息，从而避开部分遮挡。

    3. 优化测量路径：通过软件规划最佳的扫描路径，尽可能避开阴影区域。

• 问题3：环境光干扰

  • 原因及影响：生产车间内的照明灯、显示屏甚至太阳光都可能作为杂散光进入传感器，干扰激光信号的接收，降低信噪比，影响测量准确性。

  • 解决建议：

    1. 传感器抗光能力：选择本身具有强抗环境光能力的传感器。

    2. 加装遮光罩：在传感器周围安装物理遮光罩，减少外部光线干扰。

    3. 使用窄带滤光片：在传感器接收端加装与激光波长匹配的窄带滤光片，只允许特定波长的激光通过。

• 问题4：振动或机械不稳定

  • 原因及影响：生产线上的机械振动或传感器安装支架的不稳定性会引入测量误差，使读数跳动，降低测量的可靠性。

  • 解决建议：

    1. 强化安装结构：确保传感器和被测物的安装支架足够坚固和稳定，减少振动传递。

    2. 使用减振材料：在安装点使用减振垫或减振器。

    3. 软件滤波：在测量数据中应用数字滤波算法，平滑读数，减少随机噪声影响。

    4. 提高采样速度：在某些情况下，提高采样速度并进行多次平均测量，可以有效降低随机误差。

第4部分：应用案例分享

• 组件共面性检测：在BGA、QFN等芯片封装的贴装前，使用激光位移传感器扫描组件底部引脚或焊球，测量其与基准面的距离，以确保所有接触点在同一平面上，避免虚焊或短路。

• 锡膏厚度检测：在SMT印刷锡膏后，激光传感器可以快速精确地测量电路板上锡膏的厚度和体积，确保印刷质量符合要求，是控制焊点质量的关键环节。

• 电路板翘曲度测量：在电路板生产过程中，通过激光传感器对PCB板面进行大面积扫描，可以精确评估板子的整体翘曲度，防止因板弯曲而导致的贴装不良或应力损伤。

• 连接器引脚高度检测：对于精密连接器，激光位移传感器能够逐一测量引脚的高度，确保所有引脚处于正确的高度和位置，保障连接可靠性。