一種高效的PCB厚度檢測(cè)方法

王 興 李 彬 陳列坤 孫楚光 陶云剛

（廣東正業(yè)科技股份有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，電子產(chǎn)品性能和功能不斷提高，市場(chǎng)對(duì)印制電路板（PCB）的要求也越來(lái)越高[1]。覆銅板（CCL）的厚度成為影響PCB質(zhì)量的一個(gè)重要影響因素[2]，對(duì)CCL厚度的檢測(cè)是管控PCB質(zhì)量的必要手段。CCL的厚度如果不滿足要求不僅會(huì)影響后續(xù)的加工進(jìn)程和質(zhì)量，還會(huì)影響電子元器件的貼裝，從而影響電子裝置的性能。對(duì)于多層PCB厚度超差累積甚至?xí)斐烧麎K多層板超差而報(bào)廢，因此檢測(cè)控制板的厚度是必不可少的[3]。目前的檢測(cè)方式主要有千分表測(cè)量和半自動(dòng)接觸式測(cè)量，前者測(cè)量結(jié)果受操作人員的操作水平影響較大，測(cè)量效率低、穩(wěn)定性差，難以滿足日益擴(kuò)大的市場(chǎng)規(guī)模和高精度的要求；半自動(dòng)接觸式測(cè)量雖然測(cè)試效率有所提高，但不能精確測(cè)出每一個(gè)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

本文提出了一種在線測(cè)量PCB厚度的方法，不僅測(cè)量穩(wěn)定性好，還能有效提高生產(chǎn)效率和測(cè)量精度。除此之外，還可以和客戶的MES系統(tǒng)對(duì)接，根據(jù)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，便于及時(shí)調(diào)整前后端的工藝。

1 測(cè)試原理及方法

1.1 測(cè)試原理

本方法利用單點(diǎn)激光三角法，通過(guò)測(cè)量激光在不同厚度物體反射后的光斑位移量來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。半導(dǎo)體激光器（LD）發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡聚焦到被測(cè)物體上，形成一個(gè)光點(diǎn)，光點(diǎn)在物體表面發(fā)生散射，其中一部分散射光通過(guò)接受透鏡并在電荷耦合器件（CCD）上成像。

當(dāng)被測(cè)物體從零位所在基準(zhǔn)面移動(dòng)到被測(cè)位置，將導(dǎo)致光點(diǎn)沿著激光束的方向產(chǎn)生位移，那么CCD上的像點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)，通過(guò)采集位移量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可得到物體的位移，要保證檢測(cè)精度，光點(diǎn)所成的像完整的聚焦在CCD上，就必須滿足成像面，物面和透鏡平面必須相交于同一直線上[5]。

本方法采用上下兩個(gè)反射型的激光位移傳感器，當(dāng)成像光軸與CCD成像平面垂直，散射光點(diǎn)在傳感器的零位線所在的平面上，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡聚焦到被測(cè)物體上O點(diǎn)。光點(diǎn)在物體表面發(fā)生散射，一部分散射光通過(guò)接受透鏡并在CCD上成像，將CCD上的成像點(diǎn)與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)像點(diǎn)進(jìn)行比較，即可得到成像點(diǎn)與基準(zhǔn)像點(diǎn)之間的位移X1，過(guò)計(jì)算即可得到d+，同理可得到d-，計(jì)算可得到板件厚度。圖示中傳感器的上下極限位就是激光位移傳感器的最大測(cè)量范圍如圖1、式（1）、式（2）。

其中，a為成像光軸上的等效物距；b為成像光軸的等效物距；θ為入射光軸與成像光軸所成的夾角；成像點(diǎn)與基準(zhǔn)像點(diǎn)之間的位移分別為X1、X2。當(dāng)板的下表面不在零位時(shí)，由圖可以看出，板厚計(jì)算公式為：d=d-+d+。根據(jù)公式（1）與公式（2）可得公式（3）：

由于在流水線環(huán)境中，需要考慮傳感器的檢測(cè)受噪音、溫度、震動(dòng)、氣流的影響，則實(shí)際測(cè)量所得值需要添加一個(gè)參數(shù)變量值即d實(shí)際=d+△。其中d為探頭測(cè)得值，△為參數(shù)變量值，△根據(jù)板件材料，溫度等工作狀況不同而有所區(qū)別。

1.2 測(cè)量方法

根據(jù)上述測(cè)試原理，設(shè)計(jì)出一種新型在線檢測(cè)PCB厚度的檢測(cè)設(shè)備。外觀如圖2所示，該裝置由整板機(jī)構(gòu)、輸送平臺(tái)、測(cè)試機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)等組成。下面簡(jiǎn)要闡述在線板厚檢查機(jī)的工作原理：當(dāng)有PCB通過(guò)整板機(jī)構(gòu)時(shí)，其內(nèi)部的信號(hào)裝置觸發(fā)并給出整板信號(hào)進(jìn)行整板，再由運(yùn)輸平臺(tái)將板件運(yùn)輸?shù)酱郎y(cè)區(qū)域。上下3組高速高精度的激光位移傳感器通過(guò)絲桿移動(dòng)到相應(yīng)的坐標(biāo)，激光器發(fā)射激光束到測(cè)試板件的表面，通過(guò)CDD信號(hào)采集、處理得到測(cè)試點(diǎn)的d+和d-，通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可得到板厚d，與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對(duì)比，以判斷板件是否滿足要求。

圖1 測(cè)試原理圖

在機(jī)構(gòu)方面有重大突破：整板機(jī)構(gòu)在輸送方向上由7組錐齒輪帶動(dòng)的塑膠滾輪組成，整套機(jī)構(gòu)既保證了滾輪與前端皮帶線速度之間的帶速差也降低了擦傷板件的風(fēng)險(xiǎn)。測(cè)試機(jī)構(gòu)采用中間傳感器位置固定、兩端傳感器位置由滾珠絲桿調(diào)節(jié)的模式。前期實(shí)驗(yàn)表明，采用一體式傳感器支架測(cè)試所得數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，傳感器支架的材質(zhì)為大理石，因此結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、熱膨脹系數(shù)小[6]，測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和精度大幅提高（如圖2）。

圖2 檢測(cè)設(shè)備圖

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

在室溫下，分別采用靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證上述測(cè)量方法的可行性。在靜態(tài)測(cè)試中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)整在動(dòng)態(tài)測(cè)量中的補(bǔ)償值。

2.1 靜態(tài)測(cè)試結(jié)果

靜態(tài)測(cè)試采用厚度分別為0.5 mm、1 mm、5 mm三種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)片來(lái)驗(yàn)證[7]，每20 ms采集一個(gè)數(shù)據(jù)，共采集了131072個(gè)點(diǎn)，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)LKNavigator軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其結(jié)果（如圖3）。

圖3 靜態(tài)測(cè)試結(jié)果

從圖3可以看出：當(dāng)測(cè)試時(shí)間少于30 min時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)明顯，且具有隨著測(cè)試時(shí)間的增加，波動(dòng)幅度減弱的規(guī)律。其中1 mm的標(biāo)準(zhǔn)片表現(xiàn)的尤為明顯，可能的原因是激光位移傳感器需要一個(gè)30 min的預(yù)熱過(guò)程，在預(yù)熱的過(guò)程中導(dǎo)致測(cè)量不穩(wěn)定；當(dāng)測(cè)試時(shí)間大于300 min后，測(cè)試數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，最大值和最小值差值在0.005 mm以內(nèi)。靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)表明：文章所提出的測(cè)量方法在激光位移傳感器經(jīng)充分預(yù)熱后，測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、效率高。

2.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

以12 m/min和15 m/min的流水線速度為例，分別測(cè)試了兩種尺寸規(guī)格的覆銅板：

（1）240 mm×440 mm×0.8 mm；

（2）510 mm×610 mm×1.53 mm。

在試驗(yàn)的過(guò)程中，選取板件的左、中、右位置進(jìn)行測(cè)試，表1為截取的10組數(shù)據(jù)（見表1）。

從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在同一速度下各組數(shù)據(jù)的重復(fù)精度不超過(guò)0.01 mm，達(dá)到行業(yè)的板厚檢測(cè)要求[8]，符合PCB行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。采用九點(diǎn)法測(cè)量板件厚度，半自動(dòng)設(shè)備測(cè)量9個(gè)點(diǎn)需要的時(shí)間至少18 s，而本設(shè)備若按12 m/min的速度計(jì)算僅需3 s，效率大約提高6倍。

3 結(jié)論

本文提出了一種利用激光位移傳感器來(lái)測(cè)量覆銅板和印制電路板（PCB）厚度的非接觸式檢測(cè)方法，并將其應(yīng)用在覆銅板和PCB的厚度在線檢測(cè)設(shè)備上。根據(jù)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：本測(cè)量方法在激光位移傳感器經(jīng)充分預(yù)熱后，

測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、效率高，重復(fù)精度不超過(guò)0.01 mm，達(dá)到了行業(yè)內(nèi)對(duì)板厚的檢測(cè)要求。除此之外，還可以和客戶的MES系統(tǒng)對(duì)接，根據(jù)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，便于及時(shí)調(diào)整前后端的工藝。