雷射量測機臺掃描精度驗證方法
2023-10-19 15:53:22 4
專利名稱：雷射量測機臺掃描精度驗證方法
技術領域：
本發明涉及一種量測精度驗證方法，尤指一種雷射量測機臺掃描精度驗證方法。
背景技術：
量測是生產過程中的重要環節，其與產品的質量息息相關。對於BGA(Ball Grid Array)球柵數組封裝，三維曲面及透明件的量測，傳統的做法是採用CCD(Charge Coupled Device)和接觸式量測方式。隨著雷射技術在量測領域的應用，各種雷射量測機臺相繼問世。其大大解決了接觸式量測方式中存在的易損傷工件表面及存在一定測量力等問題，且雷射量測機臺具有量測效率高、量測準確等優點，倍受各生產型企業的信賴。在使用各種雷射量測機臺前，使用者須了解該機臺的量測精度，不然無法相信其量測數據。雖然雷射量測機臺的製造廠商提供了該機臺的掃描精度，但量測機臺從製造工廠運輸到目的地進行安裝後，可能達不到製造廠商所提供的掃描精度標準，所以需要對其掃描精度進行驗證(或者說是校正)，以決定是否需要對該量測機臺進行調試.只有校正合格之後該量測機臺的量測結果才可以被信賴。但量測機臺的製造廠商不能提供雷射掃描精度的驗證方法和相應標準器。
查相關精度校正領域方面的資料，知存在許多技術和方法用於進行掃描精度的校正或者說是驗證。如1994年7月21日申請的申請號為94115989.2、名稱為「用於檢測運動矢量到半象素精度的裝置和方法」的中國發明專利；1995年7月6號申請的申請號為95115011.1、名稱為「由預定符號序列調製的脈衝串的頻率誤差精度檢測」的中國發明專利；2001年10月15號申請的申請號為01136399.1、名稱為「面積型電容測微儀精度的自校正方法及測試裝置」的中國專利申請案；
2003年4月10號申請的申請號為03110572.6、名稱為「偏振計的高精度校正」的中國發明專利申請案。
然而上述專利申請案及專利沒有涉及量測機臺掃描精度驗證(校正)方面的技術，因此有必要提供一種雷射量測機臺掃描精度驗證方法，用以確定雷射量測機臺的掃描精度，提高量測的可靠性及信服力。
發明內容本發明的較佳實施例提供一種雷射量測機臺掃描精度驗證方法。該方法包括如下步驟(a)根據雷射量測機臺適合量測的產品類型製作標準治具；(b)利用習知方法及儀器多次量測標準治具尺寸，確定每種治具被測尺寸的名義真值；(c)選取適合量測參數，利用雷射量測機臺掃描上述標準治具獲取量測數據；(d)將上述雷射機臺量測數據與標準治具的名義真值進行對比，並進行準確性及重複性評估以驗證該雷射量測機臺的掃描精度。
本發明較佳實施例所提供的雷射量測機臺掃描精度驗證方法，可對該量測機臺量測的球柵數組封裝(BGA)、三維曲面形狀及透明件的掃描精度進行驗證。
其中驗證雷射量測機臺的量測BGA的掃描精度的方法包括步驟製作一個BGA標準治具；用分釐卡多次量測每個球的最高點高度，即Z坐標值，取得每個球最高點高度的平均值，作為最高點高度的名義真值；用電荷耦合器件(Charged Coupled Device，CCD)影像測頭多次量測每個球中心的X，Y坐標值，取多次量測的平均值作為每個球球心的X，Y坐標值；採用三個高點組成一個包含BGA重心平面的方法的軟體計算及確定該BGA標準治具的共面度的名義真值；雷射量測機臺選擇螺旋形掃描方式多次量測該BGA標準治具上每個球的最高點，每次均獲得每個球最高點的X，Y，Z坐標值，通過量測機臺附帶程序計算出該多個共面度值；對上述多次掃描量測所獲取的每個球的最高點的X，Y，Z坐標值的量測結果進行重複性比較，確定坐標值的重複性；將各點的Z向坐標值保持不變，各點的X，Y值分別變化，判斷共面度值的變化；將上述各個球雷射掃描多次得出的最高點的Z值與名義真值相對比，得出每個點Z向偏差，根據偏差大小判斷Z向坐標值的準確性；將上述多次量測所得的多個共面度值計算標準差，及該多個共面度值分別與名義真值相對比計算偏差，根據計算所得偏差及標準差大小對共面度準確性及掃描重複性進行評估，確定該量測設備量測BGA共面度的量測掃描精度。
驗證雷射量測機臺的量測3D的掃描精度的方法包括步驟製作一個有球面形狀的3D標準治具；在該治具上定出基準，利用高精密接觸式掃描測頭按照該基準掃描該治具獲得點雲數據；將上述點雲數據擬合成一理想曲面，將該理想曲面作為名義真值；雷射量測機臺按照上述相同基準掃描該治具，獲取點雲數據；計算上述基於同一基準的雷射掃描點雲與理想曲面的最大偏差作為評估準確度的參數；在相同掃描方式及掃描參數的條件下，重複量測多次，判斷每次掃描點雲與理想曲面的最大偏差之間的一致程度，以進行重複性評估。
驗證雷射量測機臺的量測透明件的掃描精度的方法包括步驟採用透明平晶作為透明件的標準件，該透明平晶的平面度作為準確度評定時的名義真值；雷射量測機臺利用各種掃描方式對該透明平晶進行多次掃描，得到每種掃描方式下每次掃描所得平面度，並計算每種方式多次掃描所得平面度的平均值、標準差、平均值與名義真值的偏差；根據標準差及平均值與名義真值的偏差，確認透明件的最適合雷射掃描的方式；分別設定雷射量測機臺在上述掃描方式下各種參數的值，在每種參數的一個設定值對該透明平晶進行多次掃描，對該多次掃描所得平面度取平均值、標準差及平均值與名義真值的偏差，根據標準差及平均值與名義真值的偏差大小確認該雷射量測機臺掃描透明件時的掃描參數；在上述經過確認的適合掃描量測透明件的掃描方式和掃描參數下，多次掃描該透明平晶，獲得每種掃描方式下的多個平面度，計算每種掃描方式下平面度值的平均值、標準差、平均值與名義真值的偏差，從標準差判斷重複性，從平均值與名義真值的偏差判斷準確性。
相較習知技術，本發明雷射量測機臺掃描精度驗證方法，能夠以掃描標準治具的方法驗證雷射量測機臺的掃描精度，方法簡單易操作且能夠針對不同量測對象找到最適合量測參數。
圖1是本發明較佳實施例的雷射量測機臺掃描精度驗證方法的作業流程圖。
圖2是本發明較佳實施例的BGA掃描精度驗證流程圖。
圖3是本發明較佳實施例的3D形狀掃描精度驗證流程圖。
圖4是本發明較佳實施例的透明件掃描精度驗證流程圖。
具體實施方式本發明實施例所指的雷射量測機臺為可量測BGA、三維曲面形狀及透明件等的量測機臺。所述雷射量測機臺配備有一用戶端電腦，該用戶端電腦安裝有量測BGA、三維曲面及透明件及計算量測數據的量測軟體。其中BGA(Ball Grid Array)即球柵數組封裝。本發明的實施例分別以BGA、三維曲面形狀(3D)及透明件的量測為例描述雷射量測機臺掃描精度驗證方法。
參閱圖1所示，是本發明較佳實施例的雷射量測機臺掃描精度驗證方法的作業流程圖。首先，根據雷射量測機臺適合量測的產品類型製作標準治具，如標準BGA治具、三維曲面治具及透明件標準件，針對不同量測對象具體製作標準不同(步驟S100)。利用習知方法及儀器多次量測標準治具尺寸，確定每種治具被測尺寸的名義真值(步驟S102)。選取適合量測參數，掃描上述標準治具獲取量測數據(步驟S104)。將上述量測數據與標準治具的名義真值進行對比，並進行準確性及重複性評估以確定該雷射量測機臺的掃描精度(步驟S106)。針對不同標準治具的量測掃描精度驗證，詳見以下幾圖的描述。
參閱圖2所示，是本發明較佳實施例的BGA掃描精度驗證流程圖。首先，根據治具要求製作一個BGA的標準治具，該治具要求參考如下外形和大小要和BGA一致；相關平面的平面度達到2um、平行度、垂直度要達到3um；有三個較高的且包含質心的球，可組成共面度平面(Seating-Plane)，以便計算共面度值(步驟S200)。用分釐卡多次量測每個球(如9個球)最高點的高度，以得到每個球最高點的Z坐標值，取得每個球最高點高度的平均值，作為最高點高度的名義真值(步驟S202)。在該步驟中，為了確定該治具的穩定性，增加驗證方法的可靠性，可以隔段時間，如隔一個月再對該治具的每個球進行多次最高點高度量測，取每個球多次量測的最高點高度的平均值，與先前每個球最高點高度的平均值進行對比，如果每個球的高度偏差很小，如0.001mm～0.002mm，則證明該治具是穩定的。用電荷耦合器件(Charged Coupled Device，CCD)影像測頭多次量測每個球心的X，Y坐標值，取每個球多次量測的平均值作為每個球球心的X，Y坐標值(步驟S204)。找出其中最高點較高的三個球最高點組成一個平面(Seating-Plane)。利用專門習知軟體計算該BGA標準治具的共面度，作為的標準治具的共面度名義真值，其中該軟體需從上述量測的9個點中選擇三個相對較高的且包含BGA重心的點組成Seating-Plane；然後計算其它6個點到該Seating-Plane的距離，即計算點到面的距離，共6個值，選擇最大的一個值作為該Seating-Plane的共面度名義真值(步驟S206)。然後用雷射量測機臺的Spiral(螺旋形)、Circle(圓形)、Zigzag(Z字形)、Area(限定一個長方形的掃描區域的方式)等掃描方式分別掃描該標準治具，根據量測點數多少及尋到最高點的機率的大小判斷掃描該標準治具的最佳掃描方式，經判斷得出螺旋形掃描方式量測點數最多、尋到最高點的機率最大，因此選擇螺旋形掃描方式；然後再在該最佳掃描方式下，設定不同掃描參數對各點進行多次掃描，根據各掃描參數下Z向坐標值的最大偏差大小確定最佳掃描速度，經過對多次掃描量測結果的對比得知採用較小速度掃描量測該BGA標準治具，如掃描速度為3mm/s，可避免粗大量測誤差的產生，因此在該最佳掃描方式及最佳掃描速度下多次(如5次)掃描該BGA標準治具上每個球(如9個球)，獲得每個球最高點的X，Y，Z坐標值，同時通過量測機臺附帶程序得到該多次掃描所得到的多個共面度的值(步驟S208)。對上述在最佳掃描方式及最佳掃描參數下多次掃描量測所獲取的每個球的最高點的X，Y，Z坐標值的量測結果進行重複性比較，確定坐標值的重複性(步驟S210)。再將各點的Z坐標值保持不變，各點的X，Y值分別變化，判斷共面度的變化，其有二種情況出現其一為當該Seating-Plane仍由原來的三點構成，則X，Y的誤差只能微小改變該共面度的值；其二為當該Seating-Plane不再由原來的三點構成，則X，Y的微小誤差也能較大改變共面度的值(步驟S212)。將上述雷射掃描多次得出的每個球最高點的Z值與名義真值相對比，得出每個點Z向偏差，根據偏差大小判斷Z向坐標值的準確性(步驟S214)。對上述在步驟S208中用雷射量測機臺所附程序計算得到的多個共面度值計算標準差，及將各個共面度與名義真值相對比計算偏差，根據所計算的標準差及偏差大小，判斷共面度值的準確性及重複性，如共面度的重複性及準確性均小於2um(步驟S216)。其中所述多次量測為至少量測三次。
參閱圖3所示，是本發明較佳實施例的3D形狀掃描精度驗證流程圖。根據產品形狀製作一個球面形狀的標準治具，該治具要求如下設計成球形的一部分，球徑要大，如120mm左右；相關平面的平面度要達到2um、平行度及垂直度要達到3um；球面的表面粗糙度要小(拋光後小於0.1um)(步驟S300)。在該治具上建立掃描量測基準，通過高精密接觸式掃描測頭掃描該治具獲得點雲數據，該點雲數據包括掃描點的X，Y，Z坐標值，上述掃描點形成點雲圖，再將上述點雲數據擬合成一個理想曲面，計算擬合前的掃描點到該理想曲面的最大偏差，以驗證該3D標準治具的精度是否滿足要求，並將該理想曲面作為3D形狀的名義真值(步驟S302)。在該3D標準治具拋光前，雷射量測機臺在上述基準下掃描該3D標準治具，獲取點雲數據，計算掃描點與上述理想曲面的最大偏差；在該3D標準治具拋光後，雷射量測機臺在上述基準下掃描該治具，獲取點雲數據，計算掃描點與上述理想曲面的最大偏差；將兩種情況下的最大偏差對比，得知由於雷射光束的直徑只有1.5um，治具表面的粗糙程度會影響到量測結果(步驟S304)。將上述基於同一基準的雷射掃描拋光後標準治具獲得的點雲與理想曲面都匯入到Metris軟體中，計算所述點雲與該理想曲面的最大偏差，將該最大偏差作為評估準確度的參數(步驟S306)。該步驟中所用到Metris軟體，是一種可以將點雲擬合成理想曲面及可以計算點雲到理想曲面偏差的軟體。然後再在相同掃描方式及掃描參數的條件下，重複掃描該3D標準治具多次(如三次)，分別與理想曲面作CAV比對，判斷每次偏差之間的一致程度，即進行重複性評估(步驟S308)。所述掃描方式包括螺旋形(Spiral)、圓形(Circle)、Z字形(Zigzag)、區塊形(Area，即限定一個長方形的掃描區域的方式)。所述掃描參數包括掃描速度、掃描精度。所述CAV(Computer Aided Verification)是電腦輔助驗證，可在試模的第一時間能夠即時且快速確認物件變形程度、並同步作為模具確認過程中(首件全尺寸檢測)把關的必要性。
參閱圖4所示，是本發明較佳實施例的透明件掃描精度驗證流程圖。首先採用透明平晶作為透明件的標準件，該透明平晶的相關參數如下直徑Ф45mm，平面度0.057um作為準確度評定時的平面度的名義真值(步驟S400)。雷射量測機臺利用各種掃描方式如螺旋形(Spiral)、圓形(Circle)、Z字形(Zigzag)、區塊形(Area)對該透明平晶進行多次掃描，得到每種掃描方式下掃描量測所得平面度，並計算每種方式多次掃描所得平面度的平均值、標準差、平均值與名義真值的偏差(步驟S402)。根據標準差的大小及平均值與平面度名義真值的偏差，確認透明件的雷射掃描較適合方式為螺旋形(Spiral)和圓形(Circle)兩種(步驟S404)。再分別設定雷射量測機臺在上述兩種掃描方式下各種參數的值，每次變化一個參數對該透明平晶進行多次掃描，並對該多次掃描所得平面度計算平均值、標準差及比較平均值與名義真值的偏差，根據標準差及平均值與名義真值的偏差大小尋找該雷射量測機臺掃描透明件時的最適合掃描參數，所述掃描參數包括單位時間的取點數(即取點率)、運動速度、掃描速度、濾波等參數(步驟S406)。如在確認取點率參時，分別在取點率在低(如取點數為7388)、中(如取點數為37873)、高(如取點數為196091)時各掃描量測該透明平晶5次，計算每種取點率下的平面度的平均值、標準差、平均值與名義真值的偏差，然後對比各種取點率下的標準差及與真值的偏差，判斷取點率是否影響量測結果，判斷結論是取點率的大小不影響量測結果。再如，在確認掃描速度參數時，分別在掃描速度設定為50mm/sec、30mm/sec、10mm/sec、3mm/sec時各量測5次，根據每種速度下的量測數據計算平面度值，再計算每種掃描速度下的5個平面度值的平均值、標準差、平均值與名義真值的偏差，根據每種速度下標準差及與名義真值偏差的大小確認適合透明件的掃描速度，判斷結論是當掃描速度小於30mm/sec時較合適。在上述經過確認的適合掃描量測透明件的掃描方式和掃描參數下，多次掃描該透明平晶，獲得兩種掃描方式下的多個平面度，計算兩種掃描方式下平面度值的平均值、標準差、平均值與名義真值的偏差，從標準差判斷重複性，從平均值與名義真值的偏差判斷準確性(步驟S408)。
權利要求
1.一種雷射量測機臺掃描精度驗證方法，用於驗證雷射量測機臺的量測球柵數組封裝(Ball Grid Array，BGA)的掃描精度，其特徵在於，該方法包括如下步驟根據雷射量測機臺量測的產品類型製作一個BGA標準治具；用分釐卡多次量測每個球的最高點高度，即Z坐標值，取得每個球最高點高度的平均值，作為最高點高度的名義真值；用電荷耦合器件(Charged Coupled Device，CCD)影像測頭多次量測每個球中心的X，Y坐標值，取多次量測的平均值作為每個球球心的X，Y坐標值；採用三個高點組成一個包含BGA重心平面的方法的軟體計算及確定該BGA標準治具的共面度的名義真值；雷射量測機臺選擇螺旋形掃描方式多次量測該BGA標準治具上每個球的最高點，每次均獲得每個球最高點的X，Y，Z坐標值，通過量測機臺附帶程序計算出該多個共面度值；對上述多次掃描量測所獲取的每個球的最高點的X，Y，Z坐標值的量測結果進行重複性比較，確定坐標值的重複性；將各點的Z向坐標值保持不變，各點的X，Y值分別變化，判斷共面度值的變化；將上述各個球雷射掃描多次得出的最高點的Z值與名義真值相對比，得出每個點Z向偏差，根據偏差大小判斷Z向坐標值的準確性；將上述多次量測所得的多個共面度值計算標準差，及該多個共面度值分別與名義真值相對比計算偏差，根據計算所得偏差及標準差大小對共面度準確性及掃描重複性進行評估，確定該量測設備量測BGA共面度的量測掃描精度。
2.如權利要求1所述的雷射量測機臺掃描精度驗證方法，其特徵在於，其中製作BGA標準治具時，該標準治具上須有三個較高的球、且該三個球所組成的三角形能包含BGA的質心。
3.如權利要求1所述的雷射量測機臺掃描精度驗證方法，其特徵在於，其中用分釐卡量測每個球的最高點高度，以確定最高點高度的名義真值的步驟中還包括隔段時間對該治具的每個球再進行多次最高點高度量測，取每個球多次量測最高點高度的平均值，與先前每個球最高點高度的平均值進行對比，判斷每個球的最高點高度偏差，以證明該治具是否穩定。
4.如權利要求1所述的雷射量測機臺掃描精度驗證方法，其特徵在於，其中計算共面度名義真值的步驟還包括從量測點中選擇三個相對較高的且包含BGA重心的點組成共面度；計算其它各點到該共面度的距離，即計算點到面的距離；選擇上述距離中最大的一個作為該共面度的名義真值。
5.如權利要求1所述的雷射量測機臺掃描精度驗證方法，其特徵在於，其中雷射量測機臺選擇螺旋形掃描方式量測該標準治具的步驟還包括採用多種掃描方式掃描該標準治具；根據量測點數多少及尋到最高點的機率的大小判斷掃描該標準治具的最佳掃描方式。
6.如權利要求5所述的雷射量測機臺掃描精度驗證方法，其特徵在於，上述多種掃描方式至少包括Spiral(螺旋形)、Circle(圓形)、Zigzag(Z字形)、Area(限定一個長方形的掃描區域的方式)。
7.如權利要求5所述的雷射量測機臺掃描精度驗證方法，其特徵在於，上述確定最佳節掃描方式的步驟還包括在最佳掃描方式下，設定不同掃描參數進行掃描；根據各掃描參數下Z向坐標值的最大偏差大小確定最佳掃描參數。
8.如權利要求7所述的雷射量測機臺掃描精度驗證方法，其特徵在於，所述掃描參數包括掃描速度。
9.如權利要求1所述的雷射量測機臺掃描精度驗證方法，其特徵在於，所述判斷共面度變化的步驟還包括當該共面度仍由原來的三點構成，判斷共面度值的變化；及當該共面度不再由原來的三點構成，判斷共面度值的變化。
全文摘要
本發明提供一種雷射量測機臺掃描精度驗證方法，該方法包括如下步驟製作BGA標準治具；用分釐卡多次量測每個球的高度，確定高度的名義真值；用CCD影像量測每個球的X，Y值；利用上述數據及習知方法計算及確定該BGA標準治具共面度的名義真值；用雷射掃描多次該治具上各球的最高點的X、Y、Z值及通過機臺附帶程序計算該多個共面度值；對所量測的各個坐標值的量測結果進行重複性比較；將各點的X，Y值分別變化，Z值不變，判斷共面度的變化；將Z值與高度名義真值進行對比，判斷Z值的準確性；對該標準治具用雷射量測所得共面度的準確性及重複性評估，確定雷射掃描量則精度。利用本發明可以驗證雷射掃描精度及量測各種工件的最適合掃描參數。
文檔編號G01M11/00GK1837743SQ20051003385
公開日2006年9月27日 申請日期2005年3月25日 優先權日2005年3月25日
發明者闕凌華, 袁忠奎, 徐韋, 欣小波, 林桂央 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司, 鴻海精密工業股份有限公司