3D线激光检测封装陶瓷平面度研究_张金利.pdf

（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023收稿日期：2023-04-253D 线激光检测封装陶瓷平面度研究张金利1，张 品2(1.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄050051；2.湖北工业大学，湖北 武汉430068)摘要：使用线扫描激光可以得到工件样品的点云数据描述工件的三维空间信息，通过对工件的三维空间信息的处理可以用来测量工件的平面度与尺寸。通过随机采样一致性(RANSAC，Random Sample Consensus)点云分割算法，提取出陶瓷的主平面。而后为了尽可能消除点云平面与工艺基准面的不重合，计算并提取出拟合平面的单位法向量，随后利用罗德里格斯公式求得法向量旋转至垂直与视觉平台的旋转矩阵，实现点云倾斜度矫正。而平面度的评定则采用最小区域评定法，同时与其他测量手段进行对比。关键词：陶瓷；平面度评定；非接触式测距传感器；实时监测；最小区域评定法；点云处理中图分类号：TN948.43文献标志码：B文章编号：1004-4507(2023)03-0041-05Research on 3D Line Laser Detection of CeramicFlatness in PackagingZHANG Jinli1，ZHANG Pin2(1.The 13thResearch Institute of CETC，Shijiazhuang 518111，China；2.Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China)Abstract:This paper uses line scanning laser to obtain point cloud data of workpiece samples todescribe the three-dimensional spatial information of the workpiece.By processing the three-dimensionalspatial information of the workpiece，it can be used to measure flatness and size of workpiece.Extractthe main plane of ceramics using RANSAC point cloud segmentation algorithm.Then，in order to makethe point cloud plane coincide with the process datum plane，the unit normal vector of the fitting plane iscalculated and extracted，and then the rotation matrix of the normal vector rotated to the vertical and thevisual platform is obtained by using the Rodrigues formula to realize the tilt correction of the pointcloud.The evaluation of flatness adopts the minimum area evaluation method，while comparing themeasurement methods of other tools.Key words:Ceramics；Flatness assessment；Non-contact measurement；Real time monitoring；Minimumarea assessment method；Point cloud processing测试测量技术与设备41（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023随着我国综合国力的提高，微电子产业已在多个领域取得了飞跃的进展，其中先进制造业为支柱产业，为其他行业的发展提供了坚实的基础。精密测量技术为制造业提供了重要保障，提高了测量精度，世界各国都非常重视精密测量技术。因此不断发展精密测量行业具有很强的应用背景和发展潜力。陶瓷封装及基板电路是半导体芯片封装、高频电路、5G 通讯、新能源汽车的电路载体，其优秀的物理化学性能满足多种场景的需求。尤其是随着近年半导体行业的国产化，封装陶瓷相关的工艺将会继续得到长足的发展。目前 LTCC 陶瓷基板通常经过 850低温烧结及镀镍后，产品由掺杂溶剂的陶瓷浆料烧至成金属化硬陶瓷管壳，故表面可能存在一定平整度的缺陷，需要对每个管壳进行外观检测，包括尺寸、载体缺陷。传统检查方式是 40 倍光学显微镜人工检查，在人力资源紧张的现状已达不到要求的效率1。为此，设计一套系统可以自动检测陶瓷封装的平面度：即采用线激光扫描仪，针对陶瓷平面采集点云数据，通过最小区域法判定其平面度是否合格；依据此方法，建立一套陶瓷基板平面度在线检测平台。1系统结构及工作原理本文所论述的陶瓷检测要求是按照相关标准设计，包括 GB 51291-2018 共烧陶瓷混合电路基板厂设计标准，SJ 21042-2016 低温共烧陶瓷多层基板制造联线测试验 证 产 品 技 术 要 求，GB/T11337-2004 平面度误差检测。根据新的检测方法构建了一套陶瓷检测系统。系统由运动系统、检测系统和控制系统组成。其中：运动系统是由一对安装在视觉平台上的直线模组组成，通过安装在其上的编码器记录传送到扫描位置的位移量，再发送给 PLC 以便调控，并将样品运送到指定位置等待扫描。检测系统选择了 3D 线激光扫描仪，采样周期最快 16 kHz(62.5 s)，而垂直于扫描方向上像素间隔固定为 0.012 5 mm，为了统一平行于扫描方向与垂直于扫描方向的数据间隔，线激光由编码器触发，并维持恒定电机每次运动相同距离再次触发，使最后的数据免去拉伸变换。控制系统由 PLC 和计算机组成，PLC 调控运动系统，并将相关数据发送给计算机端，而计算机端接收运动控制器的数据与线激光扫描仪的数据进行总的调控，并且对得到的点云数据进行整理、统计与分析，最终给出平面度数据2。2检测方法原理在搭建好系统并获取数据后就需要对数据进行一定的处理。在获得数据中由于激光抖动，编码器不同步等原因会产生数据的波动，所以在读取点云文件之后一般需要对点云进行滤波。点云的滤波是预处理的关键，也是实现平面度评定与尺寸计算的基础，在实际观测后发现，工件测量末尾常常会出现异常尖锐毛刺，以及边缘部位的图像显示并不平滑，这就需要对点云的原始数据进行处理，从结果来看，常规的滤波方式效果均难以形成较大的区分度，所以需寻找其他适用于点云数据的滤波方式3。统计滤波对呈现高斯分布的点云有着比较优秀的处理效果，首先要对点集进行统计学上的分析，通过确定均值 和标准差 可以画出整个点集的总体分布与取向，同时也方便后续的阈值与离群点的处理。设点云中的第 n 个点坐标为 Pn(Xn，Yn，Zn)，该点到任意一点 Pm(Xm，Ym，Zm)的距离Si为：Si=(Xn-Xm)2+(Yn-Ym)2+(Zn-Zm)2(1)遍历并计算每个点到任意点之间距离的平均值 为：=1nni=1Si(2)标准差 为：=1nni=1(Si-)2(3)在这个过程中有两个参数，即最近邻点数与离群点阈值需要我们人工指定。最邻近点数用于估计所有点到邻域距离的平均值。调整滤波器对噪声的敏感程度。通过计算每个点的得分来判断该点是否测试测量技术与设备42（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023是离群点，将离群点设定为外点，然后剔除。由于工件在传送的过程中随意放置，二位模组上的平台难以和视觉平台高度吻合以及布置线扫描激光器的支架不可避免具有一定倾斜度，导致工件的加工工艺基准面，难免会与基恩士线激光测量头扫描成面后得到的平面存在一个夹角，这个夹角会导致得到的点云数据出现规律性偏差，即点云的总体趋势会沿着某个方向规律的变化。而在后面的平面度测量与尺寸测量中需要对工件的点云平面进行矫正，这是后续计算的前置步骤。在三维空间内，如果构成物体任意两点间的距离不随着物体运动而变换，则称这种三维变换为刚体变换。对于点云平面的矫正则正属于刚体变化的范畴，同时由于平面度与尺寸的计算与位置无关，所以仅包含旋转部分，同时可固定旋转轴，故可以用一个三维矩阵来描述面的旋转。再将问题进行一次简化，整个平面的矫正可以等效看成平面的法向量进行矫正，可以提取当前平面的法向量，将该法向量与标准坐标系下法向量进行对比计算，将整个旋转矩阵作用于平面上的每个点，这样就可以简化问题。而计算两个向量的旋转矩阵可以用罗德里格旋转公式，在三维空间中，罗德里格斯旋转公式可得到一个向量绕固定旋转轴旋转给定角度以后得到的新向量的计算公式。这个公式使用原向量、旋转后的向量及它们叉乘作为框架，表示通过这样变化可以表达出旋转后的向量，计算公式同样可以改写为矩阵形式。系统流程如图 1 所示。3工件平面度计算平面度，亦被称平整度，是产品几何规范中常见的形状公差之一，也是用于评定产品成形表面质量的关键指标之一。对于安装表面而言，平面度直接影响零部件的贴合效果和紧固性能。平面度是零件缺陷检测的重要部分，分直接和间接两种检测方式检测，直接法更便捷也更实用，比较贴合场景，且由于定位场景为加工现场，我们采用直接测量。测量平面度的方法很多，但是平面度是人为规定的一个工程上的定义，所以这些解释都是合理的，但都会有细小偏差。虽然最小区域法的数据处理比较复杂，但用最小区域法评定的平面度近于真值且唯一，它是最准确的评定方法。点云数据十分密集，可以近似看成均匀分布。由于 Matlab完全支撑大量复杂的运算，所以以精度为第一准则的话，最终选择了最小区域法4，5。对一般平面在空间直角坐标系下可描述为（a，b，c 为常数）：z=ax+by+c(4)对任意被测面上有 n 个测量点（xi，yi，zi）(i=0，1，2，n)，代入式(4)有：z1=ax1+by1+cz2=ax2+by2+czn=axn+byn+c改写成矩阵形式有：z1z2zn|=x1y11x2y21xnyn1|ab|c(6)令 A=x1y11x2y21xnyn1|，B=z1z2zn|，C=ab|c有：B=AC，即 C=A-1B=ab|c(7)对第 i 点与基准平面之差 i为：i=(zij-z)1a2+b2+1)=(zij-axi-byy-c)1a2+b2+1(8)式(8)中，1a2+b2+1为法化因子，当 x 与 y图1系统流程图读取点云文件点云滤波点云平面短矫正平面度计算(5)测试测量技术与设备43（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023方向的坐标值取得较大时，1a2+b2+11，即 i=(zij-axi-byy-c)。平面度误差 f 为：f=imax-imin(9)4与其他测量手段的比较以某一样品为例，如图 2 所示，用关节臂测量作为对比，5 个一组，关节臂采用九点采样法，其测量值如表 1 所示。第一个样品的数据存在系统误差，所选样品有一定制造缺陷，不符合研究任务，故剔除。采用点云数据进行平面度评定，如图 3图 6 所示。最终得到样品内部凹陷处的平面度0.1352mm，与关节臂平面度相比相差一个数量级，由于普通采样法高度依赖所取点的数据，精确度对比 3D线激光扫描仪得到的点云数据会低一些。图2样品堆图4统计滤波图6平面矫正与评定表1关节臂平面度测量数据（部分）样品编号A1A2A3B1B2B3C1C2C3平面度193.29993.16893.29693.15293.17693.24193.09893.05493.0460.199292.94492.93492.89792.78892.77992.75292.67992.65492.6650.043392.92092.91792.87092.76792.78792.74992.64292.64492.6170.039492.86992.90092.86192.80092.77292.71192.62692.61992.5540.068592.54192.59692.54292.44992.45092.40292.33192.33692.2430.077mm图3点云数据采集图5平面拟合测试测量技术与设备44（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023的数值高低，为了通过设定 OEE 的控制目标，及时发现生产过程设备与设备之间及单台设备纵向对比，逐步发现设备在运行过程中存在的问题，不断提升不断改进，最终实现降低损失和成本，为企业创造更大的效益，通过建立设备 OEE 管控模型，对有效的改善和提高企业的设备管理水平有着非常重要的意义，可以及时对设备的不足之处提出创新，同时对生产过程的异常及时发现，不断提升设备性能，工艺质量，同时设备综合效率越来越高，最终使企业向着低成本和高效率的良性方向发展。参考文献：1许利，陈建勋，黄启忠.热解碳沉积温度对增强石墨力学性能的影响J.粉末冶金材料科学与工程，2024(12)：994-998.2程鸿申.“十四五”期间中国直拉硅单晶炉用石墨材料的市场预测J.炭素，2004(4)：25-26.3周福臣.热解电石墨在电子工业中的应用与展望J.炭素，1994(1)：46-49.4李拥秋，袁支润.热解碳研究概况及其在生物医学领域中的应用J.粉末冶金材料科学与工程，2003(2)：60-63.5李金热，杨新春.设备综合效率OEE 计算及扩展J.中国农机化，2008(3)：94-976钟晶，李跃宇.企业生产管理的利器一 0EE 研究J.现代商贸工业，2009(1)：382-3837李澄宇.OEE 在生产管理中的应用J.科技情报开发与经济，2006，16(20)：198-200.8朱虹，钱省三.基于 TOC 理论的 OEE 的应用J.半导体技术，2005，30(8)：4-79杨西，杨玉华.化学气相沉积技术的研究与应用进展J.甘肃水利水电技术，2008，44（3）：211-213.作者简介：于丽君（1983），女，山西省怀仁市人，硕士，高级工程师，主要从事碳基装备制造技术的工艺研究及质量提升技术分析工作。图5碳沉积设备OEE改善数据图OEE/%100908070605040302010L61L62L63L64L65L66L67L68炉号91.292.391.391.692.492.493.592.65结束语本文围绕陶瓷管壳的相关数据的评测进行了研究，查阅了大量国内外相关文献与应用实例发现目前常用的陶瓷检测存在一定的不便利的方面，因此探索了一套系统用来评定陶瓷封装管壳的平面度与尺寸，很好地结合了计算机科学，机器视觉和误差理论等方面的知识，并于当下很热门的点云相结合，已初具形态，但是数据处理的算法，以及装置结构还可以继续优化。参考文献：1穆莹.图像处理技术在导电杆在位测量系统中的应用D.北京：北京理工大学，2018.2宋阳.基于三维激光扫描的关中地区古塔数字模型库构建技术研究及应用D.西安：西安建筑科技大学，2019.3曾齐红.机载激光雷达点云数据处理与建筑物三维重建D.上海：上海大学，2010.4孙培芪.基于整体最小二乘的三维点云规则曲面拟合算法研究D.安徽：合肥工业大学，2021.5邢向飞.超高压线巡线机器人系统设计及仿真实验研究D.长春：长春理工大学，2013.作者简介：张金利（1976），河北石家庄人，大学本科，高级工程师。一直从事陶瓷封装材料、激光加工、检测技术等方面的研究工作。张品（2000），男，湖北黄冈人，大学本科，在读研究生，主要研究方向为机器视觉、精密激光加工。（上接第4页）测试测量技术与设备45