CN114485450A - 一种pcb板翘曲检测装置、方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种PCB板翘曲检测装置、方法和系统，设置有检测台，对待检测PCB板进行承载和定位；滑块，设置在检测台上方并能够在XY平面内精确滑动；激光位移传感器和CCD相机，设置在滑块上且光轴竖直向下，CCD相机采集激光位移传感器的光斑图像；上位机，根据待测PCB板的CAD版图规划检测路径，同时对检测装置进行控制。本发明先对易翘曲部位进行局部扫描检测，再进行整体偏移检测的方式检测PCB板的翘曲，实现了对PCB板翘曲的高精度检测和高效率检测。

Description

一种PCB板翘曲检测装置、方法和系统

技术领域

本发明涉及PCB电路板检测领域，尤其涉及一种PCB板翘曲检测装置、方法和系统。

背景技术

随着电子行业的飞速发展及SMT自动化插件设备和贴片设备的广泛使用，对印制板质量要求也越来越高。在电子产品向着高速、高频、高密度和多功能的方向发展的同时，在电子装联时，印制电路板的翘曲问题也日益凸显。如果印制电路板的平整度达不到要求，会造成抛料、虚焊，甚至是无法焊接等情况。如今随着HDI板、IC载板出现，以及大量贴片元器件和IC芯片的应用，特别是BGA封装（Ball Grid Array，球栅阵列封装）形式的处理器、控制器、存储器等半导体芯片的大规模应用，电路板的器件密度和焊点密度得到了大规模的提高，这对PCB板的翘曲检测提出了更严格要求。如果PCB板的平整度达不到要求，将严重影响电路板的成品合格率，造成后续大量的虚焊、漏焊及无法焊接情况的发生，最终将严重影响电子产品的使用性能。

特别是现阶段，随着电子设备的小型化和高速高频化，高密度PCB板和异形非对称PCB板得到了大量的应用，例如固态硬盘主板、手机主板、平板电脑主板等各种便携式电子设备的主板都大量应用了高密度PCB板和异性非对称PCB板。并且随着器件密度和焊点密度的提高，PCB电路板的层数也显著提高，焊盘尺寸和孔径也明显缩小，PCB板在生产过程中，由于受热不均匀、过炉放置不平等因素存在，容易使得PCB板发生翘曲的现象，即PCB板表面产生弯曲形变。在后续PCB板的贴片过程中，若PCB板的翘曲度过大，容易导致贴片过程中元件贴歪，或者出现虚焊。

现有技术中通过翘曲度来计算PCB板的翘曲变形程度的大小，其中翘曲度的计算公式为：翘曲度＝单个角翘起高度/(PCB对角线长*2)* 100％。现有的PCB板生产企业采用IPC标准要求合格的PCB板的翘曲度应当小于等于0.75％。

现有技术中比较传统的PCB板翘曲检测方法，先将PCB板平放在平台上，之后再以人工拿起塞规使其平贴在平台上，然后沿着平台将塞规靠近PCB板的其中最高翘曲一角。如塞规可由该端角移入PCB板，便表示PCB板的弯曲程度超过公差范围，不适合后续的组装作业，如塞规无法移入该端角，便表示PCB板的弯曲程度在可接受的公差范围内。然而，这种检测PCB板弯曲程度的方式需以人工拿起塞规检测，其过程费时费力，而且容易造成检测不准确，操作过程容易造成板面污染、手指印等品质异常，增加加工步骤，此外，现有的检测方式无法实现不同厚度PCB板任意切换检测。

但是对于高速、高频、高密度的PCB板，对翘曲的容忍度更低，传统的塞尺检测法角度并不能满足需求。并且高密度PCB和异形非对称PCB板得到了大量的应用，例如固态硬盘主板、手机主板等各种便携式电子设备的主板大量应用高密度PCB和异性非对称PCB板，此类PCB板需要更加准确的翘曲检测手段，保证电子产品的可靠性。因此，有必要对现有的PCB翘曲的检测方法进行改进，特别是对高密度PCB和异形非对称PCB板的检测，进行精度更高、效率更高的检测方法和手段。

发明内容

为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明提供一种PCB板翘曲检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：

检测台，用于对待检测PCB板进行承载和定位；

滑块，所述滑块设置在所述检测台上方并能够在XY平面内精确滑动；

激光位移传感器和CCD相机，所述激光位移传感器和所述CCD相机设置在所述滑块上且光轴竖直向下，所述激光位移传感器数量为三个且呈等边三角形分布，所述CCD相机采集所述激光位移传感器的光斑图像；

上位机，所述上位机根据待测PCB板的CAD版图规划检测路径，同时对所述检测装置进行控制，对检测数据进行处理。

优选的，还设置有伺服电机，所述上位机控制所述伺服电机带动所述滑块在XY平面内精确滑动。

本发明还提供一种PCB板翘曲检测方法，该方法包括以下步骤：

将待测PCB板的CAD文件导入上位机，生成检测路径；

所述上位机控制所述滑块沿所述检测路径对所述待测PCB板进行扫描，得到三个所述激光位移传感器的测距值；

所述CCD相机采集所述待测PCB板图像，所述上位机对所述图像进行特征点识别，计算所述PCB板上各特征点与所述CAD文件的对应特征点之间的偏移量。

优选的，得到三个测距值后，比较最大值与最小值的差值是否在预设范围之内，若在所述预设范围之内，则认为该部位不存在翘曲，否则认为该部位存在翘曲，并通过三个距离值计算该位置的翘曲度。

优选的，最大值与最小值的差值是否在预设范围之内时，采集激光位移传感器的光斑图像，根据所述光斑的椭圆度验证该位置是否存在翘曲。

优选的，得到所有特征点的偏移量之后，判断是否存在偏移量超出最大阈值，若存在，则判定该特征点附近的翘曲度不符合要求。

优选的，若所有偏移量都未超出最大阈值，对所有偏移量求和得到总偏移量，若总偏移量小于总偏移量阈值，判定该PCB板的翘曲符合要求，否则判定该PCB板不合格。

本发明还提供一种PCB板翘曲检测系统，包括上料模块、检测模块和下料模块；所述上料模块用于把待测PCB板放置在检测台上，所述检测模块采用检测方法进行翘曲检测，所述下料模块对检测后的PCB板进行下料。

本发明的有益效果是：

1、采用先对易翘曲部位进行局部扫描检测，再进行整体偏移检测的方式检测PCB板的翘曲，兼顾局部和整体，检测精度高，检测效率高；

2、采用三个呈等边三角形的激光位移传感器检测距离值，并通过距离差值判定是否存在翘曲，不需要进行复杂的运算，检测效率较高；

3、对于需要验证的部位，再采用光斑图像的椭圆度进行验证，在避免激光位移传感器检测漏检的同时，采用运算较复杂的图像处理方式进行检测，也保证了检测的效率；

4、同时判定局部特征点的偏移和整个PCB板的整体偏移量，判定局部翘曲和整体翘曲是否满足要求，判定准确；

5、总偏移量阈值与PCB板的面积、厚度、焊点密度等参数相关，实现对不同类型的PCB板翘曲的灵活准确检测；

6、根据待检测PCB板的CAD版图生成检测路径，对重点部位进行重点局部检测。

附图说明

图1表示PCB翘曲检测装置的结构示意图；

图2表示采用三个激光位移传感器检测翘曲示意图；

图3表示采用光斑对翘曲进行验证示意图；

图4表示PCB翘曲检测方法的流程图；

图5表示PCB翘曲检测方法步骤S2的具体流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、 “上”、 “下”、 “左”、 “右”、 “竖直”、 “水平”、 “内”、 “外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、 “第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

为了解决背景技术中提出的相关技术问题，本实施例提出一种PCB翘曲检测装置和方法，特别是对于高密度PCB板和异形非对称PCB板，实现其翘曲的准确检测和高效检测。

如图1所示，该PCB翘曲检测装置包括设置在检测装置下方的检测台，该检测台用于对待检测PCB板进行承载和定位，在检测时将待检测PCB板定位设置在检测台上，可以通过定位夹钳、定位螺钉等现有技术中成熟的定位方式进行待测PCB的定位，在此不再赘述。

本实施例中，在检测装置正上方设置有可沿着XY平面任意方向滑动的滑块和伺服电机，并且该伺服电机能够带动该滑块在XY方向精确滑动。

具体到测量装置，在该滑块上设置三个光轴垂直向下的激光位移传感器，三个激光位移传感器呈等边三角形分布；同时，滑块上还设置有光轴竖直向下的CCD相机，该CCD相机用于采集待测PCB板的图像，用于后续的图像处理。

测量装置还设置有对测量过程进行控制和对测量结果进行计算和处理的上位机，位机与该伺服电机、该三个激光位移传感器和该CCD相机都电性连接，该上位机实现在XY平面内对滑块的准确移动位置和移动路径的控制，并把三个激光位移传感器的测量结果和CCD相机采集到的图像上传到上位机并，对检测结果进行数据运算和处理。

在检测时，首先对PCB板的边缘或PCB板中BGA芯片焊接区域等重点区域进行翘曲检测。本实施例中，在检测时候，三个呈等边三角形分布的激光位移传感器同时向待测PCB发射激光束分别得到三个距离值D1、D2、D3。同时滑块上的CCD相机拍摄该三个激光位移传感器照射在待测PCB板上的光斑图像。

测量得到三个距离值D1、D2、D3之后，比较判断三个距离值D1、D2、D3中最大值与最小值的差值是否在预设范围之内，若在该预设范围之内，则认为该部位不存在翘曲，若差值在该预设范围之外，则说明该部位存在翘曲，则通过三个距离值D1、D2、D3计算该位置的翘曲度。

本实施例中，由于发生翘曲的部位翘曲方向不一定一致，例如，如图2所示，在该部位向四周都发生翘曲，翘曲形状为凹型，由于翘曲形状为凹型，中间部位下凹，但是三个激光位移传感器一下凹点为中心分布，此时测量得到的三个距离值D1、D2、D3是相等的或者差值很小，在预设范围之内，容易将该部位误判为未发生翘曲，因此需要对光斑图像对该部位测量的翘曲度进行验证。具体原因为，由于采用激光位移传感器检测的方式，不涉及图像处理等复杂运算，测量速度快，因此优先选用三个激光位移传感器进行翘曲测量；当激光位移传感器检测到该部位存在翘曲时，把该翘曲值作为翘曲值；当激光位移传感器未检测到该部位存在翘曲时，则采用光斑图像对该部位测量的翘曲度进行验证。如采用光斑的方式仍未检测到翘曲，则说明该部位未发生翘曲变形。

本实施例中，当PCB板未发生翘曲时，其三个光斑的位置是固定的，并且光斑的形状也是固定的，光斑呈圆形；而当PCB板发生翘曲时，光斑的形状和位置会发生改变，光斑呈椭圆形，并且该椭圆的长轴方向与翘曲变形的方向相关，此时通过三个光斑的椭圆度判断该部位的翘曲程度和翘曲方向，具体如图3所示。

由于三个激光位移传感器之间的距离较小，采用三个激光位移传感器的距离值和光斑测量翘曲，主要用于对局部进行翘曲测量。例如，对于异形非对称PCB板，在测量时候，上位机控制控制滑块在XY方向精确滑动，使三个激光位移传感器沿着PCB边沿进行扫描测量，得到异形非对称PCB板边缘各个位置的翘曲度。还可以对BGA芯片的焊接部位进行重点扫描。

在完成局部翘曲检测之后，对PCB的整体翘曲进行检测，在整体翘曲检测时候，上位机控制CCD相机采集整个PCB的图像，并通过采集到的PCB图像进行特征点识别，识别出焊盘、过孔、安装孔等特征点，并与PCB板的设计CAD版图进行对准，二者对准的基准为PCB边缘或安装孔等易于识别的特征点，在完成对准之后，计算各PCB板上各特征点与CAD版图的特征点的偏移量。

在得到所有特征点的偏移量之后，判断是否存在某些特征点的偏移量超出最大阈值，如偏移量超出该最大阈值，则判定该特征点附近的翘曲度不符合要求。

如果所有的特征点的偏移量都未超出最大阈值，则将所有特征点的偏移量进去求和，得到该PCB的总偏移量，并将该总偏移量与总偏移量阈值进行对比，如小于该总偏移量阈值，则判定该PCB的翘曲符合要求，否则则判定该PCB翘曲超出要求，后期影响电路正常工作或可靠性，将其判定为不合格品。

该总偏移量阈值与PCB板的面积、厚度、焊点密度等参数相关。根据发明人长期的试验数据分析，该总偏移量阈值与PCB板的面积成正比，与PCB板的厚度成反比，与焊点密度的平方成反比，与主控制器频率的平方成反比。

本实施例中，对于本实施例中PCB来说，该PCB的焊点密度由该PCB上焊点密度最高区域的焊点密度决定。例如，对于设置有BGA封装的主控制器及其外围电路的PCB来说，当该PCB上BGA器件焊接区域的焊点密度最大，则该BGA器件焊接区域的焊点密度即为该PCB的焊点密度。

并且对于本实施例中PCB来说，其面积越大，则其存在翘曲的可能性越大，在进行PCB设计时，元器件的密度设计会考虑该PCB板的翘曲变形影响，因此PCB面积越大，则与其相对应的总偏移量阈值也较大。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上进行进一步改进，技术方案共同的部分在此不再赘述。

本实施例还提供一种PCB翘曲检测方法，该方法理应实施例1的PCB翘曲检测实现对PCB板翘曲的检测。如图4所示，该方法具体包括如下步骤：

步骤S1、生成局部检测的检测路径。将PCB板的设计CAD版图原图输入到上位机，并根据该CAD版图生成检测路径；

本实施例中，该检测路径由PCB板的边缘和重点器件的位置确定，该步骤能够实现对异形非对称PCB或高速PCB的重点部位进行检测，提高检测的效率。

步骤S2、进行局部翘曲检测。上位机控制伺服电机沿着检测路径带动滑块运动，滑块上的三个激光位移传感器照射待测PCB的待测区域，并得到三个距离值D1、D2、D3。同时滑块上的CCD相机拍摄三个激光位移传感器照射在PCB板待测区域上的光斑图像。

步骤S2的具体检测步骤如图5所示，具体包括步骤S21和步骤S22。

步骤S21，测量得到三个距离值D1、D2、D3之后，比较判断三个距离值D1、D2、D3中最大值与最小值的差值是否在预设范围之内，若在该预设范围之内，则认为该部位可能不存在翘曲，若差值在该预设范围之外，则说明该部位存在翘曲，则通过三个距离值D1、D2、D3计算高位置的翘曲度T1。

然而，如果测量得到的三个距离值D1、D2、D3是相等的或者差值很小，在预设范围之内，存在该部位发生了翘曲，但是将该部位误判为未发生翘曲三维情况，因此需要根据步骤S22对光斑图像对该部位测量的翘曲度进行验证。

本实施例中，当PCB板未发生翘曲时，其三个光斑的位置是固定的，并且光斑的形状也是固定的，光斑呈圆形，而当PCB板发生翘曲时，光斑的形状和位置会发生改变，光斑呈椭圆形，并且该椭圆的长轴方向与翘曲变形的方向相关，此时通过三个光斑的椭圆度判断该部位的翘曲程度和翘曲方向。

步骤S3、进行整体翘曲检测。在整体翘曲检测时，关闭三个激光位移传感器，然后通过CCD相机采集PCB图像并进行特征点识别，识别出焊盘、过孔、安装孔等特征点。并将PCB图像与CAD版图进行对准，二者对准的基准为PCB边缘或安装孔等，在完成对准之后，计算PCB板上各特征点与CAD版图的相对应的各特征点的偏移量，在得到所有特征点的偏移量之后，判断是否存在偏移量超出最大阈值，如偏移量超出该最大阈值，则判定该特征点附近的翘曲度不符合要求。

如果所有的特征点的偏移量都未超出最大阈值，则将所有特征点的偏移量进去求和，得到该PCB的总偏移量，并将该总偏移量与总偏移量阈值进行对比，如小于该总偏移量阈值，则判定该PCB的翘曲符合要求，否则则判定该PCB翘曲超出要求，将其判定为不合格品。

该总偏移量阈值与PCB板的面积、厚度、焊点密度等参数相关。根据发明人长期的试验数据分析，该总偏移量阈值与PCB板的面积成正比，与PCB板的厚度成反比，与焊点密度的平方成反比，与主控制器频率的平方成反比。本实施例中计算公式如下：

Pt=a*S/(ρ2*T*f)

其中参数Pt为总偏移量阈值，a为偏移量系数，为一固定常数，S为PCB板的面积，由CAD版图能够直接得到。ρ为该PCB的焊点密度，并且该PCB的焊点密度由该PCB上焊点密度最高区域的焊点密度决定，T为该PCB板的厚度，F为该PCB的电路板上控制器或处理器的主频。

实施例3

本实施例是在实施例1或实施例2的基础上进行进一步改进，技术方案共同的部分在此不再赘述。

本实施例提供一种PCB翘曲检测系统，该检测系统采用实施例1中的检测装置和实施例2中提供的检测方法，实现对PCB板翘曲的检测，该系统包括上料模块、检测模块和下料模块。

上料模块用于把待测PCB板放置在检测台上，检测模块采用实施例2中提供的检测方法对待测PCB板进行翘曲检测，而下料模块对检测后的PCB板进行下料，本实施例中是将不合格的PCB板进行剔除，把检测合格的PCB板输送到下一工序。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

Claims (8)

1.一种PCB板翘曲检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：

检测台，用于对待检测PCB板进行承载和定位；

滑块，所述滑块设置在所述检测台上方并能够在XY平面内精确滑动；

激光位移传感器和CCD相机，所述激光位移传感器和所述CCD相机设置在所述滑块上且光轴竖直向下，所述激光位移传感器数量为三个且呈等边三角形分布，所述CCD相机采集所述激光位移传感器的光斑图像；

上位机，所述上位机根据待测PCB板的CAD版图规划检测路径，同时对所述检测装置进行控制，对检测数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的PCB板翘曲检测装置，其特征在于，还设置有伺服电机，所述上位机控制所述伺服电机带动所述滑块精确滑动。

3.一种基于权利要求2所述的检测装置的PCB板翘曲检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将所述待检测PCB板的CAD版图导入上位机，生成扫描检测路径；

所述上位机控制所述滑块沿所述扫描检测路径对所述待检测PCB板进行扫描，得到三个所述激光位移传感器的测距值，根据所述测距值计算局部翘曲值；

所述CCD相机采集所述待检测PCB板的图像，对所述图像进行特征点识别，计算各特征点与所述CAD版图对应特征点之间的偏移量，根据所述偏移量计算整体翘曲值。

4.根据权利要求3所述的PCB板翘曲检测方法，其特征在于，得到所述测距值后，比较最大值与最小值的差值是否在预设范围内，若在所述预设范围内，判定该部位不存在翘曲，否则判定存在翘曲，通过三个距离值计算该位置翘曲值。

5.根据权利要求4所述的PCB板翘曲检测方法，其特征在于，最大值与最小值的差值在预设范围之内时，所述CCD相机还采集激光位移传感器的光斑图像，根据所述光斑的椭圆度验证该位置是否存在翘曲。

6.根据权利要求3-5任一项所述的PCB板翘曲检测方法，其特征在于，得到所有特征点的偏移量之后，判断是否存在偏移量超出最大偏移阈值，若存在，判定该特征点附近的翘曲度不符合要求。

7.根据权利要求6所述的PCB板翘曲检测方法，其特征在于，若所有偏移量都未超出最大偏移阈值，对所有偏移量求和得到总偏移量，若总偏移量小于总偏移量阈值，判定所述待检测PCB板的翘曲符合要求，否则判定不合格。

8.一种PCB板翘曲检测系统，其特征在于，所述系统包括上料模块、检测模块和下料模块；上料模块把所述待检测PCB板定位在所述检测台上，所述检测模块采用权利要求3-7任一项所述的检测方法进行翘曲检测，所述下料模块对检测后的所述PCB板进行下料。

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