电子百科 | 什么是PCB基准标记？

在现代电子制造中，印刷电路板（PCB）是几乎所有电子设备的核心。随着电子产品日益微型化和复杂化，元器件的贴装精度要求也越来越高。在自动化组装过程中，机器视觉系统需要一个可靠的、板载的参考点，以便准确定位PCB及其上的元件。这个至关重要的参考点就是PCB基准标记（Fiducial Marks），有时也被称为光学定位点或简称基准点。

一、什么是PCB基准标记？

PCB基准标记是一种专门设计，用于机器视觉系统识别和定位PCB上特定位置的几何特征。简单来说，它们是印制在电路板上的一系列特殊形状、高对比度的铜（通常是裸铜或OSP/沉金处理的铜）或阻焊层开窗的圆形或方形图案。它们的主要目的是为自动贴片机（Pick-and-Place Machines）、焊膏印刷机和自动光学检测（AOI）设备提供精确、统一的坐标系。

二、基准标记的结构和类型

虽然基准标记可以有多种形状，但最常见且标准化的设计是一个实心圆。

结构特征

一个标准的基准标记通常由以下几部分组成：

标记本体（Mark）：通常是直径在 1 毫米到 3 毫米之间的实心圆（填充铜或金属表面处理，如沉金）。

非阻焊区/净空区（Clearance Area）：标记本体周围必须有一个没有阻焊剂、没有走线、没有文字标记的环形区域。这个净空区的直径通常是标记本体直径的两倍，目的是确保标记与周围环境有足够的对比度，避免任何可能干扰视觉系统识别的杂乱信息。

理想表面：标记本体应位于同一表面平面，其表面处理（如沉金、OSP）应保证最小的反光或散射，以便摄像头能清晰捕捉图像。

类型划分

基准标记根据其用途和位置，主要分为两大类：

全局基准标记（Global Fiducial Marks）：

数量和位置：通常需要三个标记，位于PCB板对角或边缘（呈 L 形或 Γ 形）。

作用：用于确定整个PCB的坐标系。机器视觉系统通过识别这三个点，可以计算出PCB在工作台上的X轴/Y轴偏移量以及旋转角度（θ 角），从而对整个板子进行校正，这是所有后续高精度操作的基础。

要求：这三个点必须具有非对称性（例如，不能将它们放在一条直线上），以确保能唯一确定板子的方向。

局部基准标记（Local Fiducial Marks）：

数量和位置：通常成对放置，位于QFP、BGA、连接器等高引脚数（Fine-Pitch）或大型元器件的对角附近。

作用：用于确定单个元器件贴装区域的坐标系。由于大型或高精度元件的贴装公差非常小，局部标记用于二次校正。它能独立于全局校正，消除特定区域由于PCB制作公差、应力或翘曲引起的局部形变，确保该元件的贴装精度达到最高要求。

三、基准标记的工作原理

基准标记的工作原理是机器视觉（Machine Vision）技术在自动化生产线上的核心应用。这个过程可以概括为以下步骤：

图像采集

当PCB进入自动贴片机的工作区域后，机器上的高分辨率CCD或CMOS摄像头会移动到基准标记上方。照明系统（通常是环形光或同轴光）照亮标记，摄像头捕捉标记及其周围净空区的高对比度图像。

图像处理与识别

模板匹配：机器的图像处理软件内置了基准标记的标准“模板”或“预期特征”。系统将实时捕捉的图像与模板进行比对。

特征提取：软件通过边缘检测算法来精确定位标记的圆心。它不识别标记的整体形状，而是计算所有检测到的标记边缘像素的平均位置，以确定其几何中心（Center Point）。这个中心点就是精确的坐标参考点。

坐标计算与运动校正

无论是全局还是局部基准标记，其核心功能都是计算出误差值，即：标记实际位置与CAD数据中定义的理想位置之间的差异。

全局校正（三个点）：

系统记录三个基准点的实际坐标(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)。

通过几何计算，确定PCB相对于理想位置的整体X轴偏移量、Y轴偏移量和旋转角度（θ 角）。

然后，机器的运动控制系统会根据这些误差值，实时调整贴片头（Nozzle）或整个工作台的运动轨迹，确保所有元件的贴装都从校正后的坐标系出发。

局部校正（两个点）：

系统记录元件周围两个局部标记的实际坐标。

计算该特定区域的局部偏移和角度，消除元件区域的微小形变或印刷公差。

在贴装该元件时，机器会应用这个局部修正值，以确保BGA的焊球或QFP的引脚能精确对准焊盘中心。

四、设计要求和标准

为确保机器视觉系统能可靠、准确地工作，基准标记设计必须遵循严格标准（如IPC-9851）：

尺寸精度：标记本体的直径公差通常要求在±25μm以内，以保证中心点定位的准确性。

净空区：净空区内不得有任何走线、焊盘、文字或丝印。净空区直径通常是标记直径的2倍或3倍。

表面处理：标记表面须光滑、均匀，且对比度高。沉金（ENIG）或裸铜是首选。由于HASL（热风整平）表面不平整和反射不均，不建议用于高精度标记。

数量和布局：

全局：至少需要两个（用于 ±X,±Y 和 θ 校正），但三个是行业推荐标准（提供冗余和更高的鲁棒性）。

局部：成对放置在元件对角。

对称性：尽管标记本身是圆形，但三个全局标记的布局必须非对称，以确保机器能区分PCB的0°、90°、180°和270°方向。

PCB基准标记是实现高精度SMT（表面贴装技术）制造的关键所在。它们是自动化设备与电路板的“语言”，通过提供准确的几何参考点，使焊膏印刷、高速贴片和光学检测能准确无误地执行。在设计现代PCB时，合理布局基准标记是最佳实践，也是确保高良率生产的强制要求。没有这些小圆点，现代电子产品的复杂组装几乎是不可能完成的。在迅得电子，我们对基准标记的精准要求，是您高品质、高良率生产的最佳保障。