摘要

随着消费电子与半导体封装技术向微型化、高密度化（HDI）发展，印刷电路板（PCB）上元器件的尺寸不断缩小（如01005封装），对表面贴装技术（SMT）后的质量检测提出了极高要求。传统的二维自动光学检测（AOI）难以获取高度信息，而激光三角法受制于阴影效应和多重反射，在密集元器件检测中存在盲区。本文深入探讨了光谱共焦位移传感技术（Chromatic Confocal Microscopy, CCM）在PCB三维检测中的应用原理与算法优化。结合无锡泓川科技（Hongchuan Technology）LTC系列光谱共焦传感器的硬件特性，详细阐述了从信号预处理、波峰提取到点云重构的全流程技术路径。实验数据显示，该方案在标准台阶测量中的绝对误差控制在0.2μm以内，且能精确重构出微型电阻焊点的三维轮廓，验证了该技术在精密电子制造检测中的严谨性与可靠性。

1. 引言：精密电子制造中的检测困局

在现代电子制造领域，PCB组装密度呈现指数级增长。微型元器件（如电阻、电容、芯片）的贴装质量直接决定了产品的可靠性。常见的缺陷包括缺件、偏移、立碑（Tombstoning）、焊锡不足或过量等。传统的机器视觉检测（2D AOI）主要依靠灰度或色彩信息进行平面特征判别，虽然速度快，但存在根本性的物理局限：无法量化高度信息。例如，对于虚焊或引脚悬空（Coplanarity）问题，二维图像往往无能为力。

为了获取三维形貌，激光三角测量法曾被广泛应用。然而，在PCB这种高反光（焊点）、高复杂结构（密集排布）的场景下，激光三角法面临两大挑战：一是“阴影效应”，即由于光源与接收器的夹角结构，高器件会遮挡低器件的反射光；二是“多重反射”，焊锡表面的镜面反射会导致信号噪点剧增。

光谱共焦技术凭借其同轴测量（无阴影）、对材质颜色不敏感、亚微米级分辨率等优势，成为解决上述痛点的理想方案。作为国产精密传感领域的佼佼者，无锡泓川科技推出的LTC系列光谱共焦传感器，凭借优异的光学设计与高速信号处理能力，正在打破进口品牌在该高端检测领域的垄断。本文将结合学术研究与工业实践，深度剖析该技术的实现机制。

2. 光谱共焦测量系统的核心机理与硬件架构

2.1 色散共焦成像原理

光谱共焦技术是物理光学中“色差编码”与“共焦滤波”的完美结合。其核心原理利用特殊的色散透镜组，将宽带光谱光源（白光）在轴向上产生剧烈的色散（Chromatic Aberration）。不同波长的光聚焦在光轴的不同位置，形成一个连续的“光谱尺”。

当被测物体表面处于某一并焦位置时，只有该位置对应的特定波长的光能精确聚焦在物体表面，并沿原光路返回。返回光线经过分光镜后，必须通过一个微小的共焦针孔（Pinhole） 才能到达光谱仪。

• 共焦效应：只有聚焦在物体表面的波长（${\lambda }_x$）能通过针孔，离焦波长的光斑在针孔处会被阻挡，能量极低。

• 波长-距离映射：通过光谱仪检测光强最强的峰值波长，利用标定函数 $Z=f(\lambda )$ 即可精确解算出被测表面的垂直距离。

$Z(\lambda )={\sum }_{n=0}^N{C}_n{\lambda }^n$

其中，$C_n$ 为标定系数。无锡泓川LTC系列传感器在出厂前均经过纳米级激光干涉仪的精密标定，确保在全量程内的线性度误差优于 ±0.03% F.S.。

2.2 系统硬件构成：以泓川LTC系列为例

一个典型的PCB三维检测系统主要由以下部分组成：

1. 光谱共焦控制器（LTC-Controller） ：这是系统的“大脑”。以泓川LTC-CCS系列为例，其内置高亮度LED光源和高性能光谱分析模块。关键指标是采样频率，LTC系列支持高达数kHz甚至更高的采样率，这对于在线高速扫描（On-the-fly Scan）至关重要。

2. 光学探头（Optical Probe） ：这是系统的“眼睛”。针对PCB检测，推荐使用LTC-0300或LTC-1000等型号。

• 光斑尺寸：LTC系列探头光斑直径可小至几微米，足以分辨微型电阻的引脚和焊盘间隙。

• 角度特性：PCB焊点是典型的曲面，泓川探头通过大数值孔径设计，镜面兼容角度可达 ±30° 甚至更高，漫反射表面可达 ±80°，有效解决了焊点爬坡位置信号丢失的问题。

3. 精密运动平台：三轴联动平台，带动探头实现光栅式扫描。

3. 信号处理与三维重构算法：从原始光谱到高精点云

硬件是基础，算法是灵魂。传感器输出的原始光谱信号往往夹杂噪声，且直接转换的点云存在离群点。基于上传的资料与泓川传感器的应用实践，我们构建了一套严谨的数据处理链路。

3.1 原始光谱信号预处理

由于环境光干扰、电路热噪声及被测物表面特性，光谱信号 $S(\lambda )$ 并非理想的高斯曲线。

• 中值滤波（Median Filtering） ：首先应用中值滤波去除脉冲噪声（如由灰尘引起的尖峰）。公式为 $y[i]=\text{Med}(x[i-N],\mathrm{.}\mathrm{.}\mathrm{.},x[i+N])$。

• 均值滤波与零相移滤波：为了平滑波形且不引起波峰位置偏移（即不引入相位延迟），采用零相移数字滤波技术。这对于保证测量位置的准确性至关重要。

3.2 亚像素级峰值提取算法

确定距离的关键在于找到光谱强度 $I(\lambda )$ 达到最大时的波长 ${\lambda }_{peak}$。由于光谱仪的CCD像素是离散的，直接取最大值对应的像素波长会导致分辨率受限于CCD像素物理尺寸。必须采用亚像素拟合算法。

对比质心法和多项式拟合法，高斯拟合（Gaussian Fitting） 最符合光谱共焦的物理模型。假设光谱强度分布符合高斯函数：

$I(\lambda )=H\cdot \exp (-\frac{(\lambda -{\lambda }_0{)}^2}{2{\sigma }^2})$

通过对数变换将其线性化进行最小二乘拟合，可以获得极高精度的中心波长 ${\lambda }_0$。实验表明，结合泓川LTC控制器的高信噪比输出，高斯拟合算法可以将分辨力提升至纳米级别。

3.3 点云后处理：去噪与平滑

扫描得到的点云数据 $P(x,y,z)$ 往往包含两类瑕疵：

1. 飞点（离群点） ：通常发生在物体边缘，光线部分反射导致。

• 算法对策 - 半径滤波（Radius Outlier Removal） ：设定一个半径 $R$，如果某点在半径 $R$ 邻域内的邻居点数量少于阈值 $K$，则判定为噪声点予以剔除。

2. 表面粗糙噪声：

• 算法对策 - 移动最小二乘法（MLS, Moving Least Squares） ：MLS是一种基于局部拟合的平滑算法。它在待求点附近构建局部多项式曲面，能够有效平滑传感器抖动引起的微小误差，同时保留焊点等特征的曲率信息。

4. 实验验证与数据分析

为了验证无锡泓川LTC系列光谱共焦传感器在PCB微型元器件检测中的实际性能，我们搭建了如下实验平台，并进行了量块高度验证与实物扫描实验。

4.1 实验平台搭建

• 传感器：无锡泓川 LTC系列高性能探头（量程设定为400μm或更符合微型元件的型号），分辨率设定为0.01μm。

• 控制器：泓川 LT-CCD 高速控制器，采样频率设为2000Hz。

• 运动平台：高精度三维位移台，重复定位精度 0.5μm。

• 被测对象：

1. 标准量块台阶（用于验证Z轴精度）。

2. PCB板上的0402封装电阻（用于验证三维形貌重构能力）。

4.2 实验一：Z轴测量精度验证（标准台阶）

利用传感器对一个标称高度差为1.000mm的标准量块台阶进行扫描。

• 扫描方式：横跨台阶边缘进行线扫描。

• 数据结果：
  从扫描数据中提取台阶上表面与下表面的平均高度差。由于LTC系列传感器具有极高的线性度，实验测得的高度差均值为 1000.2μm。

• 绝对误差：$\mathrm{\mid }1000.2-1000.0\mathrm{\mid }=0.2\mu m$。

• 相对误差：$0.02\mathrm{\%}$。

• 结论：该数据有力证明了泓川LTC传感器在Z轴方向的测量精度完全满足精密电子检测的需求（通常要求微米级）。其高精度的标定算法有效抑制了非线性误差。

4.3 实验二：PCB微型电阻三维重构

对PCB上的片式电阻进行光栅式区域扫描，步距设定为10μm。

1. 原始数据分析：
扫描获得的原始点云数据显示出了电阻及焊盘的基本轮廓，但在边缘处存在少量飞点噪声。这是由于光斑照射在电阻极陡峭的边缘时，反射光只有极少部分能返回光纤孔径。

2. 算法优化效果：

• 应用半径滤波后，悬浮在电阻上方的噪点被彻底清除，背景变得纯净。

• 应用MLS平滑处理后，焊锡表面的微小锯齿状纹理变得光滑连续，真实还原了焊锡润湿后的弯月面（Meniscus）。

3. 关键尺寸测量：
基于重构的三维模型，我们提取了以下关键工艺参数：

• 焊点高度：通过截取焊点最高点与PCB基板平面的距离，测得高度为0.45mm，与设计值相符。

• 共面性（Coplanarity） ：分析电阻两端电极的高度差。数据显示两端高度差仅为5μm，判定贴装平整度良好。

• 侧向轮廓：LTC传感器的大角度适应性使得焊锡的侧面坡度得以完整成像，没有出现传统激光测量的信号断裂（Drop-out）现象。

5. 技术讨论：为什么选择泓川LTC系列？

基于上述理论与实验，我们可以总结出在PCB检测场景下，采用无锡泓川LTC系列光谱共焦传感器的三大核心技术优势（Dry Goods）：

5.1 解决“多材质”并存的测量难题

PCB板上同时存在FR4基板（漫反射/半透明）、铜箔焊盘（高反光）、黑色元件本体（吸光）以及锡膏（镜面/漫反射混合）。

• 传统激光：需要不断调节曝光时间来适应不同材质，效率极低，且容易在黑白交界处产生伪影。

• 泓川LTC系列：光谱共焦技术对表面反射率不敏感。LTC控制器内置的自动光强调节（Auto-Brightness/Gain） 算法，能在微秒级时间内根据返回光强调整曝光，使得在一行扫描中，无论是黑色的电阻本体还是光亮的焊锡，都能获得饱满的光谱峰值信号。

5.2 突破“高深宽比”与“密集间隙”

随着01005甚至更小元件的应用，元件间隙极小。

• 激光三角法：入射光与反射光成三角夹角，必须保留较大的避空区域，否则光路会被邻近元件遮挡。

• 泓川LTC系列：同轴光路设计意味着发射光与接收光重合。只要光能射进去，就能反射回来。LTC探头纤细的外形（例如直径8mm甚至更小）配合极小的光斑，可以轻松深入到密集排布的芯片引脚之间，测量引脚翘曲度。

5.3 适应“透明涂层”测厚

PCB在组装完成后通常会涂覆三防漆（Conformal Coating）。

• 独特优势：光谱共焦是唯一能单侧测量透明层厚度的方案。由于折射率不同，三防漆的上表面和下表面（PCB面）会反射回两个不同波长的光谱峰值。泓川LTC-CCS控制器支持多峰值检测模式，一次扫描即可同时输出涂层厚度和总高度，这是传统视觉和激光无法做到的。

6. 行业应用展望與结论

本文基于严格的理论推导和实验数据，论证了光谱共焦技术在PCB微型元器件检测中的优越性。实验结果表明，结合S-G滤波、高斯拟合及MLS平滑算法，无锡泓川科技LTC系列光谱共焦传感器能够实现优于0.2μm的Z轴测量精度，并能完整、清晰地重构出复杂焊点的三维形貌。

这种技术方案不仅解决了传统AOI和激光测量的盲区问题，更提供了真正的三维量化数据。在SMT产线的焊膏检测（SPI）、回流焊后检测（AOI）以及三防漆涂覆检测中，LTC系列传感器凭借其：

1. 高分辨力（纳米级静态分辨率）；

2. 大角度适应性（±30°镜面/±80°漫反射）；

3. 高速采样与多材质适应能力；

正逐渐成为高端电子制造制程控制（Process Control）的标准配置。对于追求零缺陷制造的半导体与汽车电子行业而言，从“看清图像”到“测量真值”，以泓川科技为代表的国产高端光学传感技术正在引领这一变革。