PCB線寬檢測設備的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

龍慶文 敖薈蘭

（廣東正業(yè)科技股份有限公司，廣東 東莞 523808）

1 PCB線寬/間距的發(fā)展現(xiàn)狀

世界通訊電子產(chǎn)品在向多功能化、小型化、輕量化的方向發(fā)展，致使印制電路板從過去的孔插裝技術（THT）階段，全面走上了當前的表面貼裝技術（SMT）階段和芯片級封裝（CSP）階段，將來還將走向系統(tǒng)封裝（SIP）階段。近幾年來，多層板、撓性板、剛撓結(jié)合板、高密度互連（HDI）板、IC封裝板（BGA、CSP）、特種印制板（高頻板、金屬基板、陶瓷基板和厚銅箔板）等PCB品種已成為主要的增長點。因此國內(nèi)外未來印制板生產(chǎn)制造技術正向高密度，高精度，小孔徑，細導線，窄間距，高可靠，多層化，高速傳輸，輕量化發(fā)展。總體來看，印制電路板不斷走向高密度化和高性能化。

這種高密度化和高性能化，迫切要求PCB的導體精細化。作為PCB重要技術指標的線寬/間距，其值在逐年縮小，目前線寬/間距發(fā)展到了75μm，甚至50μm。導線寬度/間距為50μm ～ 75μm/50 μ m ～ 75μm的精細導線，已成為電腦、手機主板微細導線的主流。

導線精細化主要體現(xiàn)在兩個方面：

（1）導線寬度/間距越來越小。目前和今后導線的線寬/間距（L/S）發(fā)展趨勢：

100/100→80/80→50/60→40/50→30/40→20/25→15/20→┄8/10（單位為μm）

（2）導線寬度的精度(尺寸偏差)越來越高。如表1是普通板的線寬精度要求：

表1 標稱線寬允許誤差±20%時不同線寬的精度要求

而對于阻抗線的實際線寬偏離要求必須控制在±10%。且普通線也會隨著性能要求的提高，要求線寬尺寸偏差進一步減小（如±10%）。

2 PCB線寬檢測設備的發(fā)展現(xiàn)狀

在PCB生產(chǎn)過中，蝕刻是重要環(huán)節(jié)之一，而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。鍍厚銅的印制板，當板經(jīng)過蝕刻溶液時，蝕刻液會攻擊線路兩側(cè)無保護的銅面，造成象香菇般的蝕刻缺陷[如圖1(a)]。普通正常的印制板在蝕刻時，蝕刻液不僅在垂直方向侵蝕導線面銅層，同時會在水平方向腐蝕銅層，使蝕刻后的線條截面呈一個類似梯形，一般導線底部（下線）寬于頂部（上線），稱為側(cè)蝕[見圖1(b)]。側(cè)蝕的程度是以側(cè)向蝕刻的寬度（毛邊的大?。﹣肀硎?。在生產(chǎn)中，側(cè)蝕若過于嚴重，將影響印制導線的精度，制作精細導線更不可行。而且側(cè)蝕易產(chǎn)生突沿，突沿過度，將會造成導線短路。因此有必要通過一定的檢測設備觀測到側(cè)蝕的狀況，以便找出影響因素，改進蝕刻工藝，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少有缺陷的印制板進入下步工序的的數(shù)量。

另一方面，多層高密度線路板的發(fā)展以及客戶對電氣特性要求的不斷提高，控制上線寬度和下線寬度以確保阻抗符合要求成為困擾各廠家的突出問題。過去，印制導線的寬度與通過的電流有關，只要導線的瞬間波動電流不超出允許的最大值時，線路寬度并沒有嚴格要求。高頻印制電路板出現(xiàn)，PCB中作為信號傳輸線的金屬導線不僅要符合“通、斷”等電氣流通，更要保持信號完整性、可靠性、精確性。信號對于線路的寬度提出了嚴格的要求，導線寬了對于低頻強電流并無影響，可對于高頻信號及數(shù)據(jù)線信號，導線宜細不宜寬，宜短不宜長，這樣可以消除線路間信號的耦合和同步問題，減小感應電磁干擾。如果沒有恰當?shù)木€寬/間距檢測手段，就無法有效的評估當前工藝制程下的生產(chǎn)質(zhì)量水平，也就無法嚴格控制線寬/間距的尺寸。

為此，國內(nèi)外一直在努力開發(fā)和使用高精度、高可靠性的檢測設備。雖然PCB各方面的檢測設備近年來取得了很大的進展，從人工目檢（MVI）→飛針測試（FPT）→在線測試（ICT）→自動光學檢測（AOI）→自動X射線檢測（AXI）→功能檢測（FCT）過渡，但作為PCB重要特性的線寬/間距的測量設備進展并不如意，主要受限于導線的精細化、影響蝕刻因素的多樣化以及這些測試設備的設計局限性和發(fā)展水平。

2.1 人工目檢

人工目檢是PCB板上的導線寬度以及線距的量測最傳統(tǒng)的方法，也是當前PCB板廠家依然正在使用的主要方法。人工目測主要有兩種方式：

一種是依靠人眼加50倍到100倍甚至200倍帶刻度的工具顯微鏡來完成。這種檢測方法需要靠熟練的操作員，操作員必須要很小心地計算這些細導線，以免發(fā)生錯誤，以及光線對人眼的影響、毛邊的影響，導致目鏡量測時不同人員量測的結(jié)果存在一定的誤差。并且長時間操作眼睛很容易疲勞。同時由于邊界判斷的方式因人而異，很容易會發(fā)生不同操作者測出不同的結(jié)果。甚至由于疲勞度的因素，同一個操作員在不同時間的量測數(shù)據(jù)都會有所不同，造成不可靠的結(jié)果。檢測速度慢，漏檢率高。同時還會導致檢測人員的視力下降，影響人體健康。

另一種是金相切片檢測技術，是先通過切片技術對導線進行橫截面處理，然后再通過金相顯微鏡作檢測。在金相切片的制作過程，通過采用大量圖片和舉例的方式，可以解決生產(chǎn)中出現(xiàn)質(zhì)量問題。但金相切片要通過抽取待檢生產(chǎn)板→ 取樣→ 精密切割到符合模具大小→ 灌?！?粗磨→ 細磨→ 拋光→微蝕→ 觀測等工藝流程。每一個工藝環(huán)節(jié)都會給整個金相切片過程帶來不可控制的人為誤差，因此這種測試方法要求操作人員有熟練的切片制作技術。并且由于此方法屬于破壞性檢測，難以在大規(guī)模生產(chǎn)過程中使用。

總之，人工目測作為一種投資小的檢測手段，在過去被印制板生產(chǎn)廠家廣范采用。但在人力成本增加，導體精細化的今天，人工目測已經(jīng)無法適應于PCB生產(chǎn)廠家用于導線線寬/線距的測量。

2.2 飛針測試（FPT）、在線測試（ICT）及功能檢測（FCT）

飛針測試（FPT）、在線測試（ICT）以及功能檢測（FCT）隨著SMC/SMD的小型化和PCB的高密度化，在高密度線寬/間距測量方面已處于“無立錐之地”的困境。主要原因是這三種測試方式均屬于定性通斷測試，無法對線寬線距的尺寸進行定量測量。

2.3 自動光學檢測（AOI）

在半導體芯片制造封裝過程中得到了廣泛應用的自動光學檢測（AOI）目前在PCB檢測中也得到越來越廣泛的應用。AOI從電路圖形的外觀檢測到內(nèi)層電路圖形的檢測，并把單純的檢測推向監(jiān)控和缺陷的修補相結(jié)合的方向發(fā)展。其主要特點是：使用和應用計算機軟硬件技術、高速圖象處理與模式識別技術、高速處理硬件、自動控制、精密機械及光學技術、是綜合多種高科技技術的產(chǎn)物。對檢測部件不破壞、不接觸、無損傷，能檢測某些接觸式測試檢測不到的地方可實現(xiàn)定性測量。

AOI（光學測試儀）是通過設計規(guī)則檢查法和圖像識別法對二維圖像進行量測，它能初步檢測導線和線間距寬度。隨著表面貼裝技術和三維模壓印制電路板的發(fā)展，并借助于更先進的傳感器和成像技術，將來也許還能檢測導線的高度。非接觸式AOI測試技術集X-射線、紅外技術和其它檢測技術于一身產(chǎn)品，它能檢測開路、短路、殘銅、針孔、缺口、突起、側(cè)蝕等缺陷。因此AOI系統(tǒng)常置于關鍵位置檢測，監(jiān)控具體生產(chǎn)狀況，并為生產(chǎn)工藝的調(diào)整提供必要的依據(jù)。但AOI對于精細導線的線寬/間距尺寸測量還是存在很大的不足。首先，由于AOI檢測項目多，視野范圍大，其測量精度必然低。目前國際上AOI能檢測的最小線寬/間距在也都只能達30μm左右，最小分辨率在10μm左右，國內(nèi)的同類產(chǎn)品就更低了，再加運動控制帶來系統(tǒng)誤差，實際的測量精度就更低了。作為光學檢測儀的知名品牌，如以色列奧寶（Orbotech）最新的AOI光學檢查儀的最小測量線寬/線距為25μm，最小分辨率在7μm；其次，AOI所采用的設計規(guī)則檢查法和圖像識別法測試原理，限制了AOI只能對線寬/線距進行定性的測量，即與設計的導線圖形（即母板資料）相比的一個比值（如±20%），而不能進行實際的尺寸測量；最后AOI的成本高，操作復雜。這些都決定了AOI并不是一種理想的線寬/間距測量工具。

2.4 自動X射線檢測（AXI）

X-光內(nèi)層透視檢測技術主要是通過不同材料和同種材料不同厚度對X光的吸收，然后通過光學成像和圖像處理技術對其進行分析測量。早期使用的X光因焦距大至300μm的程度，其檢測精度只能達到50μm。目前焦距已達到微米級，理論上已能進行精度為10微米的測量。與圖象處理并用，目前已能達到25μm，能對多層印制電路板的內(nèi)層電路圖形進行一定的透視和檢測。但隨著導線精細化，銅箔厚度必然薄形化，線路底部與頂部X光吸收的差別非常小，圖像上將根本無法辨別，因此X-光內(nèi)層透視檢測技術也無法滿足導線精細化的線寬/間距和線路側(cè)蝕的高精度測量要求。

總之，傳統(tǒng)與現(xiàn)有PCB檢測手段和設備對線寬/間距的測量都存一定的缺陷。為了滿足PCB高密度化和高性能化的發(fā)展，研制出針對線寬/間距的專門檢測工具，成為目前PCB生產(chǎn)廠家的迫切期望。

3 PCB線寬檢測儀的工作原理和主要特點

線寬檢測儀是當前專門為了應對導體精細化而研制的線寬/間距檢測設備，它是利用PCB板中基材的光學散射和銅箔的反射特性而對線路進行非接觸式光學檢測設備，通過光學成像的方法獲得被測對象（PCB線路）的圖像，經(jīng)過特定處理算法處理、分析及測量。由于考慮到AOI中運動控制帶來的系統(tǒng)誤差，線寬檢測儀目前大多數(shù)采用人工移動測量儀器或被測印制板的方式進行測量。原理圖如下圖2所示。

圖2 線寬檢測儀原理圖

從圖2中可以看出，與常用的AOI相比，線寬檢測儀主要是針對性地利用了PCB線路的橫截面類梯形狀結(jié)構(gòu)特征，并利用PCB基材和銅面的光學性質(zhì)不同以及線路銅面與側(cè)蝕面的反光角度不同來設計有效的照明光源與成像系統(tǒng)，最終運用高效的圖像處理軟件來進行精細導線的線寬/線距測量。當照明光源以一定的角度照射到被測線路時，由于線路上表面、側(cè)蝕面和基材的反光角度的不同，進入到CCD相機的光強度也就不同，從而在CCD相機中形成灰階度對比明顯的線路圖像。如下圖3所示，其中（a）、（b）是采用不同光源的線寬檢測儀顯示的實際線路成像圖，兩副圖中兩條線路的共同特點就是圖中線路的基材、線路底部和線路頂部（側(cè)蝕）邊界明顯，采用特定的處理算法，就可以對線路的線寬/間距進行準確的測量。不同點是它們采用了不同的圖像處理算法和照明光源。

圖3 線寬檢測儀在不同光照情況下實際導線的影像圖

與其它PCB檢測設備相比，線寬檢測儀的特點主要有以下幾點：

（1）功能針對性強。目前線寬檢測儀主要用來對PCB進行高精密的尺寸測量，如線寬/間距、圓孔大小、焊盤（PAD）的大小等尺寸測量。

（2）操作簡單。操作人員只要會操作鼠標，就可以運用線寬檢測儀進行測量。

（3）測試效率高。采用軟件自動尋邊測量，測試效率遠高于人工目測。在如今勞動力成本不斷上漲的今天，人力成本明顯降低。

（4）測量精度高。線寬檢測儀目前的精度都達到了一個像素（1piexl），結(jié)合光學放大最高精度小于1μm。下表2是ASIDA線寬檢測XK22和金相切片技術對同一條線路的實際測試結(jié)果的對比。

表2 （單位：μm）

由于線寬檢測儀的線寬測量是采用區(qū)域內(nèi)的自動尋邊測量，因此測量結(jié)果是所選區(qū)域線路的線寬平均值。而金相切片測量的是一個端面的值，因此表格中線寬檢測儀的測量結(jié)果相當于為所選區(qū)域的10個切片端面的平均值。通常情況下，對于單個端面的值，誤差相對會大些，而線路的平均值更能體現(xiàn)線路的側(cè)蝕情況。

（5）線寬檢測儀還可不接觸、不破壞、無損傷地，對線底和線頂、孔毛邊、焊盤毛邊等進行尺寸測量。

線寬檢測儀作為線寬/間距的專針性測量工具，不但滿足了導線精細化的測量要求，而且可以大大降低生產(chǎn)成本。當然線寬檢測儀要真正發(fā)揮它的高精度特性，還有待于數(shù)字圖像處理技術與照明技術等關鍵技術的進一步發(fā)展，這也是線寬檢測儀廣泛應用的前提條件。目前在高精度線路測量方面，線寬檢測儀已成了各生產(chǎn)廠家的首選，如生益、華通、超聲、深南、方正等大部分PCB生產(chǎn)廠家都已使用線寬檢測儀來進行線寬/間距檢測。

4 PCB線寬檢測設備的發(fā)展趨勢

隨著PCB產(chǎn)品的不斷發(fā)展，PCB生產(chǎn)技術的不斷進步，PCB線寬檢測設備由原始的目視測量向自動光學測量發(fā)展已成為必然。當前市場上的高精度線寬檢測儀已實現(xiàn)軟件自動尋邊，自動計算線路寬度功能，但由于受限于小視野自動定位技術、高精密運動控制技術、圖像處理技術、照明成像技術等發(fā)展水平，當前市場上高精度的線寬檢測儀都還停留在人工操作階段，需要操作者進行手動調(diào)焦、手動移板到指定測量位置，手動選擇測量點等操作。隨著上述技術的不斷發(fā)展，在線測量型全自動的線寬檢測儀將可實現(xiàn)自動聚焦、自動定位、自動三維影像量測。最終將成為PCB線寬/間距等高精度尺寸檢測中必不可少的工具，更是大規(guī)模生產(chǎn)過程中PCB全程質(zhì)量控制的必備設備。

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