電子百科 | 什么是PCB基準標記？

在現代電子制造中，印刷電路板（PCB）是幾乎所有電子設備的核心。隨著電子產品日益微型化和復雜化，元器件的貼裝精度要求也越來越高。在自動化組裝過程中，機器視覺系統需要一個可靠的、板載的參考點，以便準確定位PCB及其上的元件。這個至關重要的參考點就是PCB基準標記（Fiducial Marks），有時也被稱為光學定位點或簡稱基準點。

一、什么是PCB基準標記？

PCB基準標記是一種專門設計，用于機器視覺系統識別和定位PCB上特定位置的幾何特征。簡單來說，它們是印制在電路板上的一系列特殊形狀、高對比度的銅（通常是裸銅或OSP/沉金處理的銅）或阻焊層開窗的圓形或方形圖案。它們的主要目的是為自動貼片機（Pick-and-Place Machines）、焊膏印刷機和自動光學檢測（AOI）設備提供精確、統一的坐標系。

二、基準標記的結構和類型

雖然基準標記可以有多種形狀，但最常見且標準化的設計是一個實心圓。

結構特征

一個標準的基準標記通常由以下幾部分組成：

標記本體（Mark）：通常是直徑在 1 毫米到 3 毫米之間的實心圓（填充銅或金屬表面處理，如沉金）。

非阻焊區/凈空區（Clearance Area）：標記本體周圍必須有一個沒有阻焊劑、沒有走線、沒有文字標記的環形區域。這個凈空區的直徑通常是標記本體直徑的兩倍，目的是確保標記與周圍環境有足夠的對比度，避免任何可能干擾視覺系統識別的雜亂信息。

理想表面：標記本體應位于同一表面平面，其表面處理（如沉金、OSP）應保證最小的反光或散射，以便攝像頭能清晰捕捉圖像。

類型劃分

基準標記根據其用途和位置，主要分為兩大類：

全局基準標記（Global Fiducial Marks）：

數量和位置：通常需要三個標記，位于PCB板對角或邊緣（呈 L 形或 Γ 形）。

作用：用于確定整個PCB的坐標系。機器視覺系統通過識別這三個點，可以計算出PCB在工作臺上的X軸/Y軸偏移量以及旋轉角度（θ 角），從而對整個板子進行校正，這是所有后續高精度操作的基礎。

要求：這三個點必須具有非對稱性（例如，不能將它們放在一條直線上），以確保能唯一確定板子的方向。

局部基準標記（Local Fiducial Marks）：

數量和位置：通常成對放置，位于QFP、BGA、連接器等高引腳數（Fine-Pitch）或大型元器件的對角附近。

作用：用于確定單個元器件貼裝區域的坐標系。由于大型或高精度元件的貼裝公差非常小，局部標記用于二次校正。它能獨立于全局校正，消除特定區域由于PCB制作公差、應力或翹曲引起的局部形變，確保該元件的貼裝精度達到最高要求。

三、基準標記的工作原理

基準標記的工作原理是機器視覺（Machine Vision）技術在自動化生產線上的核心應用。這個過程可以概括為以下步驟：

圖像采集

當PCB進入自動貼片機的工作區域后，機器上的高分辨率CCD或CMOS攝像頭會移動到基準標記上方。照明系統（通常是環形光或同軸光）照亮標記，攝像頭捕捉標記及其周圍凈空區的高對比度圖像。

圖像處理與識別

模板匹配：機器的圖像處理軟件內置了基準標記的標準“模板”或“預期特征”。系統將實時捕捉的圖像與模板進行比對。

特征提取：軟件通過邊緣檢測算法來精確定位標記的圓心。它不識別標記的整體形狀，而是計算所有檢測到的標記邊緣像素的平均位置，以確定其幾何中心（Center Point）。這個中心點就是精確的坐標參考點。

坐標計算與運動校正

無論是全局還是局部基準標記，其核心功能都是計算出誤差值，即：標記實際位置與CAD數據中定義的理想位置之間的差異。

全局校正（三個點）：

系統記錄三個基準點的實際坐標(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)。

通過幾何計算，確定PCB相對于理想位置的整體X軸偏移量、Y軸偏移量和旋轉角度（θ 角）。

然后，機器的運動控制系統會根據這些誤差值，實時調整貼片頭（Nozzle）或整個工作臺的運動軌跡，確保所有元件的貼裝都從校正后的坐標系出發。

局部校正（兩個點）：

系統記錄元件周圍兩個局部標記的實際坐標。

計算該特定區域的局部偏移和角度，消除元件區域的微小形變或印刷公差。

在貼裝該元件時，機器會應用這個局部修正值，以確保BGA的焊球或QFP的引腳能精確對準焊盤中心。

四、設計要求和標準

為確保機器視覺系統能可靠、準確地工作，基準標記設計必須遵循嚴格標準（如IPC-9851）：

尺寸精度：標記本體的直徑公差通常要求在±25μm以內，以保證中心點定位的準確性。

凈空區：凈空區內不得有任何走線、焊盤、文字或絲印。凈空區直徑通常是標記直徑的2倍或3倍。

表面處理：標記表面須光滑、均勻，且對比度高。沉金（ENIG）或裸銅是首選。由于HASL（熱風整平）表面不平整和反射不均，不建議用于高精度標記。

數量和布局：

全局：至少需要兩個（用于 ±X,±Y 和 θ 校正），但三個是行業推薦標準（提供冗余和更高的魯棒性）。

局部：成對放置在元件對角。

對稱性：盡管標記本身是圓形，但三個全局標記的布局必須非對稱，以確保機器能區分PCB的0°、90°、180°和270°方向。

PCB基準標記是實現高精度SMT（表面貼裝技術）制造的關鍵所在。它們是自動化設備與電路板的“語言”，通過提供準確的幾何參考點，使焊膏印刷、高速貼片和光學檢測能準確無誤地執行。在設計現代PCB時，合理布局基準標記是最佳實踐，也是確保高良率生產的強制要求。沒有這些小圓點，現代電子產品的復雜組裝幾乎是不可能完成的。在迅得電子，我們對基準標記的精準要求，是您高品質、高良率生產的最佳保障。