基于PCB線寬測量的光源系統(tǒng)研究

龍慶文 敖薈蘭

廣東正業(yè)科技股份有限公司

1 引言

PCB產(chǎn)品在持續(xù)地走向高密度化、高速化和多功能化發(fā)展，線寬/間距已從目前主流的0.10 mm/0.1 mm過渡到將來的0.075 mm/0.075 mm、0.050 mm/0.050 mm，甚至是0.025 mm/0.025 mm。保證精細(xì)導(dǎo)線的線寬/間距尺寸的穩(wěn)定性，確保PCB產(chǎn)品的電特性要求，將是各個PCB生產(chǎn)廠急需解決的技術(shù)，為此各PCB生產(chǎn)廠對線寬/間距的檢測提出了更高的要求。傳統(tǒng)的線寬/間距測量手段，如百倍鏡和金相切片，因其誤差大、效率低而無法達(dá)到客戶的高精度測量要求。線寬檢測儀作為一種新型的高精度光學(xué)檢測儀器已逐漸地應(yīng)用于線寬/間距測量中。但目前針對PCB行業(yè)中線寬/間距測量的線寬檢測儀器在國內(nèi)外應(yīng)用均處于滯后的局面，其中最主要的原因之一是受限于光源技術(shù)的發(fā)展。由于各個廠家的工藝水平不同，線路的蝕刻過程中出現(xiàn)的實(shí)際情況千差萬別，對儀器的照明光源設(shè)計提出了很高的要求。好的照明光源能對所關(guān)注線路進(jìn)行有效的照明，改善整個檢測儀器的清晰度、降低噪聲，簡化圖像分析與處理的軟件算法。相反，如果照明光源設(shè)計不合理，不但不能對所關(guān)注目標(biāo)進(jìn)行有效的照明并反映出線路板邊緣圖像的真實(shí)數(shù)據(jù)，而且有可能產(chǎn)生虛假數(shù)據(jù)，那么線寬檢測儀采用圖像處理算法做自動邊緣數(shù)據(jù)提取時，就面臨更多的難題，因此儀器的測量精度也會受到很大的限制，甚至帶來錯誤的測量結(jié)果。

雖然國內(nèi)外眾多學(xué)者對機(jī)器視覺光源的關(guān)鍵技術(shù)開展了廣泛而深入的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，但研究的重點(diǎn)都大多只是放在提高圖像質(zhì)量方面。作為高精密的線寬檢測儀的照明光源，除了需要提高圖像的清晰度和對比度外，更重要的是必須確保成像系統(tǒng)所提取邊界數(shù)據(jù)的真實(shí)性，否則將直接影響到儀器的測量精度，這樣對于工業(yè)化生產(chǎn)是十分不利。

本文通過對PCB實(shí)際線路的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，設(shè)計一種新型的照明光源，不但能提供清晰的圖像，而且能準(zhǔn)確真實(shí)的反映線寬/間距真實(shí)圖像數(shù)據(jù)，最后通過適當(dāng)?shù)臄?shù)字圖像處理算法得到線寬/間距的實(shí)際值。

2 PCB導(dǎo)線特點(diǎn)分析

在PCB生產(chǎn)過中，蝕刻是重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一，在蝕刻過程中的溶液濃度、溫度、流速和蝕刻時間等因素直接影響PCB線路的質(zhì)量，控制不好將會產(chǎn)生短路，開路，線寬缺損，殘留銅和針孔等缺陷。印制電路板在蝕刻時，蝕刻液不僅在垂直方向侵蝕導(dǎo)線面銅層，同時會在水平方向腐蝕銅層，使蝕刻后的線條截面形狀類似一個梯形形狀，（見圖1）。一般導(dǎo)線底部（下線）寬于頂部（上線），這是由于側(cè)蝕造成的。側(cè)蝕的程度是以側(cè)向蝕刻的寬度（毛邊的大?。﹣肀硎镜摹?shí)際導(dǎo)線的側(cè)蝕程度除了受蝕刻過程中的溶液濃度、溫度、流速和蝕刻時間等影響外，還與銅箔厚度有關(guān)，圖2是不同銅箔厚度的實(shí)際導(dǎo)線切片截面圖。圖中看出，正常情況下銅箔較厚的導(dǎo)線側(cè)蝕（毛邊）相對較大如圖2（a），更接近于梯形形狀結(jié)構(gòu)，而對于銅箔較薄的導(dǎo)線毛邊相對較小[如圖2（b）]有矩形化趨勢。

圖1 導(dǎo)線橫截面示意圖

圖2 不同銅箔厚度的PCB上實(shí)際導(dǎo)線截面圖

在生產(chǎn)中，若側(cè)蝕過于嚴(yán)重，將影響印制導(dǎo)線的線寬精度，制作精細(xì)導(dǎo)線更不可行。而且側(cè)蝕易產(chǎn)生突沿，突沿過度，將會造成導(dǎo)線短路。因此必需通過一定的檢測設(shè)備準(zhǔn)確地測量出導(dǎo)線的上下線寬度及毛邊的大小，找出影響因素，改進(jìn)蝕刻工藝，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少有缺陷的印制板進(jìn)入下一步工序。

3 設(shè)計原理

線寬檢測儀是通過光學(xué)成像的方法獲得被測對象的圖像，經(jīng)過特定算法進(jìn)行處理及分析，自動測量出導(dǎo)線的上下線寬度。所獲取圖像的真實(shí)性與清晰度是保證線寬檢測儀測量精度的關(guān)鍵，因此在選擇或設(shè)計照明光源要注意以下兩點(diǎn)：

（1） 照明光源需對PCB線路的基材、線路底部和線路頂部都取得很好的照明，且三者之間應(yīng)取得良好的對比度。

（2） 照明光源真實(shí)地反映導(dǎo)線的特征，消除干擾和避免產(chǎn)生圖像偽邊緣。

由于各PCB生產(chǎn)廠家的工藝水平、線路的基銅厚度、線寬/間距大小以及基材的不同，要達(dá)到以上兩點(diǎn)要求，設(shè)計照明光源時應(yīng)分析PCB線路的幾何形狀和光學(xué)特征，有效地解決入射角度和結(jié)構(gòu)問題。

PCB由基材與銅箔兩大部分組成，基材表面散射光，而銅導(dǎo)線表面反射光。這樣就可通過控制基材、線路側(cè)蝕面和線路頂部反射光進(jìn)入成像系統(tǒng)的強(qiáng)度來區(qū)分線路的邊緣信息，最終利用后端的數(shù)字圖像處理算法進(jìn)行分析與測量。

4 照明光源發(fā)展現(xiàn)狀

目前使用的線寬檢測儀有的利用這種原理采用了低角度環(huán)形光源照明，其原理圖和環(huán)形光源結(jié)構(gòu)如圖3（a）、圖3（b）所示：

圖3 低角度環(huán)形光源線寬檢測儀

也有的線寬檢測儀采用了高角度環(huán)形光源照明，基原理圖與環(huán)形光源結(jié)構(gòu)如下圖4（a）、圖4（b）：

圖4 高角度環(huán)形光源線寬檢測儀

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用這兩種照明光源各有優(yōu)缺點(diǎn)。

首先，采用低角度環(huán)形光源，成像時導(dǎo)線側(cè)蝕面反射光進(jìn)入成像系統(tǒng)的光強(qiáng)最強(qiáng)，在成像時形成亮邊。其次是基材，導(dǎo)線頂部最弱，如圖5（a）所示。圖中可以看出基材、線路側(cè)蝕面和線路頂部三者之間的邊界非常明顯，從而能準(zhǔn)確地測量出導(dǎo)線的上下線寬與毛邊的大小。但采用低角度環(huán)形光源照明，同時存在二個潛在的缺陷：

（1）當(dāng)PCB的銅箔厚度達(dá)到70μm以上，且導(dǎo)線間的線寬/間距之比小于1/1時，由于兩導(dǎo)線間的相互干擾，導(dǎo)線間的側(cè)蝕面得不到有效的照明，產(chǎn)生陰影，如圖5（b）。甚至，因?yàn)榈撞繜o法得到照明，而側(cè)蝕面部分得到照明而產(chǎn)生偽邊緣，如圖5（c）。最終影響了線寬檢測儀的測量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。隨著印制電路板的高密度化和銅箔厚度薄型化發(fā)展，這種缺陷會更多的顯現(xiàn)出來。

圖5 低角度環(huán)形光源線寬檢測儀獲取的導(dǎo)線成像圖

（2）導(dǎo)線側(cè)蝕嚴(yán)重（毛邊較大）時，側(cè)蝕面反射進(jìn)入成像系統(tǒng)的光將非常強(qiáng)，CCD相機(jī)的感光元器件因過度曝光而產(chǎn)生溢出，使得相鄰像元因溢出而變亮，最終使得影像上的毛邊大于實(shí)際值。對于同一條導(dǎo)線的同一區(qū)域，與切片測量結(jié)果相比，采用低角度環(huán)形光源的線寬檢測儀測量出的上線偏小，下線寬偏大。如下表1所示。

表1 低角度環(huán)形光源照明下線寬檢測儀與金相切片測量結(jié)果對比

表格中的線寬檢測儀的數(shù)據(jù)是區(qū)域內(nèi)的平均值，金相切片是同一區(qū)域內(nèi)10個不同截面的測量值的平均值。表格中可以看出毛邊越大，偏差也越大，毛邊較小時，偏差相對較小。因此采用低角度照明光源在測量大毛邊的導(dǎo)線時，可能滿足不了部分印制電路板的高精度測量要求。

其次，高角度環(huán)形光源照明相對來說解決了低角度光源帶來的亮邊缺陷，但由于毛邊與基材進(jìn)入成像系統(tǒng)的反射光都較小，很容易造成基材、線路底部和線路頂部三者之間的對比度不夠，下線寬無法測量，特別是對毛邊較小的銅箔厚度較薄的板來說更是如此。如圖6所示（圖中線路板的銅箔厚度為18μm。這對于線寬檢測儀的自動尋邊測量不利，嚴(yán)重影響測量精度。而印制電路板的薄形化發(fā)展，將使高角度環(huán)形光源照明的線寬檢測儀無法滿足測量要求。

圖6 高角度環(huán)形光源線寬檢測儀獲取的導(dǎo)線成像圖

因此，不管是采用低角度環(huán)形源還是高角度環(huán)形光源，如果沒有考慮到PCB線路中線寬/線距、基材、銅箔厚度等各種因素的綜合影響，將限制線寬檢測儀廣泛使用。

5 新型照明光源的特點(diǎn)

于是，本文提出一種固定角度的組合環(huán)形光源照明系統(tǒng)，它吸收了低角照明光源和高角度照明光源優(yōu)點(diǎn)，并利用兩種光源互補(bǔ)性（低角照明光源適合于小毛邊，高角度照明光源適合于大毛邊），通過選擇兩種光源各自的發(fā)光角度，控制基材、線路底部和線路頂部反射光進(jìn)入成像系統(tǒng)的強(qiáng)度來區(qū)分線路的邊緣信息。具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 組合環(huán)形光源示意圖

該光源系統(tǒng)由外殼、環(huán)形PCB、LED組成，主要包括了上下兩部分：上部是高角度環(huán)形光源，采用發(fā)光角度為30度LED，下部是低角度環(huán)形光源，采用發(fā)光解度為45度的LED。兩部分光源單獨(dú)控制，外殼起安裝固定作用，并通過兩組合光源之間的組合對所測線路進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

和前面兩種普通的環(huán)形光源相比，這種組合光源具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：

（1）組合光源完全是根據(jù)線路的幾何形狀和光學(xué)特征，針對各種銅箔厚度、線密度及毛邊大小而設(shè)計的。在這種新型光源的照明下，各種PCB線路的基材、線路底部和線路頂部都能取得很好的照明，三者之間的邊界對比度明顯，給后端的數(shù)字圖像處理提供了真實(shí)而清晰的邊界信息。

（2）照明方式的多樣性。這種組合光源既可上下兩部分光源單獨(dú)點(diǎn)亮，分開照明。也可同時點(diǎn)亮，配合照明。

（3）這種組合光源克服了普通單一的環(huán)形光源的缺點(diǎn)，保證了儀器的測量精度，使儀器的適用性更廣。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8（A）、（B）、（C）是采用本文設(shè)計的照明光源對三種不同銅箔厚度毛邊大小不同的PCB線路的成像圖。從圖中可以看出，不管測量何種類型銅箔厚度的板，都可以得到灰階度對比明顯的成像效果。通過圖像分析軟件對這三幅圖分析，可以得到基材、線路底部和線路頂部的灰度分布圖，分別如圖9（A）、（B）、（C）。

圖8 照明光源對三種不同銅箔厚度的PCB線路的成像圖

圖9 三種不同銅箔厚度的線路圖像在垂直于線路方向的剖面灰度分布圖

從以上三種常見銅箔厚度的線路的灰度分析來看，采用本文設(shè)計的新光源能夠使線路的基材、線路底部和線路頂部三者之間對比度非常明顯，從而保證了后續(xù)的測量。表格2是使用新型光源在正業(yè)ASIDA線寬檢測儀上測出的上下線寬值與金相切片分別對5條導(dǎo)線進(jìn)行測量結(jié)果。由于線寬檢測儀測量的是區(qū)域內(nèi)的平均值，而金相切片只能測量導(dǎo)橫截面的1個端面，為了對比的合理性，金相切片的測量結(jié)果取相同區(qū)域內(nèi)10個端面的平均值，所用測量工具為尼康顯微鏡。

表2 新型光源照明下線寬檢測儀與金相切片測量結(jié)果對比

從表中的測量結(jié)果可看出，最大的偏差也不到3.5μm，且由于切片只是一個端面，而線寬檢測儀是測量的是線路的某區(qū)段的平均值，因此這采用這種光源完全可以達(dá)到PCB線路板的線寬測量的高精度要求。由于采用軟件自動測量，測量效率大大提高。

7 結(jié)論

從大量的實(shí)驗(yàn)可以看出，根據(jù)PCB線路的幾何形狀和光學(xué)特征，并結(jié)合影響PCB線路自動光學(xué)檢測的主要因素，如銅箔厚度、線密度及毛邊大小、基材、類型等設(shè)計出的LED照明光源，可以大大提高PCB線路的成像質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)對線寬/間距的高精度測量，使線寬檢測儀得到廣泛的應(yīng)用。同時通過對這種光源的優(yōu)化，此照明光源還可擴(kuò)展應(yīng)用到其它相關(guān)的自動光學(xué)檢測設(shè)備中。

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