基于PCB线宽测量的光源系统研究

龙庆文 敖荟兰

广东正业科技股份有限公司

1 引言

PCB产品在持续地走向高密度化、高速化和多功能化发展，线宽/间距已从目前主流的0.10 mm/0.1 mm过渡到将来的0.075 mm/0.075 mm、0.050 mm/0.050 mm，甚至是0.025 mm/0.025 mm。保证精细导线的线宽/间距尺寸的稳定性，确保PCB产品的电特性要求，将是各个PCB生产厂急需解决的技术，为此各PCB生产厂对线宽/间距的检测提出了更高的要求。传统的线宽/间距测量手段，如百倍镜和金相切片，因其误差大、效率低而无法达到客户的高精度测量要求。线宽检测仪作为一种新型的高精度光学检测仪器已逐渐地应用于线宽/间距测量中。但目前针对PCB行业中线宽/间距测量的线宽检测仪器在国内外应用均处于滞后的局面，其中最主要的原因之一是受限于光源技术的发展。由于各个厂家的工艺水平不同，线路的蚀刻过程中出现的实际情况千差万别，对仪器的照明光源设计提出了很高的要求。好的照明光源能对所关注线路进行有效的照明，改善整个检测仪器的清晰度、降低噪声，简化图像分析与处理的软件算法。相反，如果照明光源设计不合理，不但不能对所关注目标进行有效的照明并反映出线路板边缘图像的真实数据，而且有可能产生虚假数据，那么线宽检测仪采用图像处理算法做自动边缘数据提取时，就面临更多的难题，因此仪器的测量精度也会受到很大的限制，甚至带来错误的测量结果。

虽然国内外众多学者对机器视觉光源的关键技术开展了广泛而深入的实验研究和理论分析，但研究的重点都大多只是放在提高图像质量方面。作为高精密的线宽检测仪的照明光源，除了需要提高图像的清晰度和对比度外，更重要的是必须确保成像系统所提取边界数据的真实性，否则将直接影响到仪器的测量精度，这样对于工业化生产是十分不利。

本文通过对PCB实际线路的实验研究和理论分析，设计一种新型的照明光源，不但能提供清晰的图像，而且能准确真实的反映线宽/间距真实图像数据，最后通过适当的数字图像处理算法得到线宽/间距的实际值。

2 PCB导线特点分析

在PCB生产过中，蚀刻是重要生产环节之一，在蚀刻过程中的溶液浓度、温度、流速和蚀刻时间等因素直接影响PCB线路的质量，控制不好将会产生短路，开路，线宽缺损，残留铜和针孔等缺陷。印制电路板在蚀刻时，蚀刻液不仅在垂直方向侵蚀导线面铜层，同时会在水平方向腐蚀铜层，使蚀刻后的线条截面形状类似一个梯形形状，（见图1）。一般导线底部（下线）宽于顶部（上线），这是由于侧蚀造成的。侧蚀的程度是以侧向蚀刻的宽度（毛边的大小）来表示的。实际导线的侧蚀程度除了受蚀刻过程中的溶液浓度、温度、流速和蚀刻时间等影响外，还与铜箔厚度有关，图2是不同铜箔厚度的实际导线切片截面图。图中看出，正常情况下铜箔较厚的导线侧蚀（毛边）相对较大如图2（a），更接近于梯形形状结构，而对于铜箔较薄的导线毛边相对较小[如图2（b）]有矩形化趋势。

图1 导线横截面示意图

图2 不同铜箔厚度的PCB上实际导线截面图

在生产中，若侧蚀过于严重，将影响印制导线的线宽精度，制作精细导线更不可行。而且侧蚀易产生突沿，突沿过度，将会造成导线短路。因此必需通过一定的检测设备准确地测量出导线的上下线宽度及毛边的大小，找出影响因素，改进蚀刻工艺，以提高产品质量，减少有缺陷的印制板进入下一步工序。

3 设计原理

线宽检测仪是通过光学成像的方法获得被测对象的图像，经过特定算法进行处理及分析，自动测量出导线的上下线宽度。所获取图像的真实性与清晰度是保证线宽检测仪测量精度的关键，因此在选择或设计照明光源要注意以下两点：

（1） 照明光源需对PCB线路的基材、线路底部和线路顶部都取得很好的照明，且三者之间应取得良好的对比度。

（2） 照明光源真实地反映导线的特征，消除干扰和避免产生图像伪边缘。

由于各PCB生产厂家的工艺水平、线路的基铜厚度、线宽/间距大小以及基材的不同，要达到以上两点要求，设计照明光源时应分析PCB线路的几何形状和光学特征，有效地解决入射角度和结构问题。

PCB由基材与铜箔两大部分组成，基材表面散射光，而铜导线表面反射光。这样就可通过控制基材、线路侧蚀面和线路顶部反射光进入成像系统的强度来区分线路的边缘信息，最终利用后端的数字图像处理算法进行分析与测量。

4 照明光源发展现状

目前使用的线宽检测仪有的利用这种原理采用了低角度环形光源照明，其原理图和环形光源结构如图3（a）、图3（b）所示：

图3 低角度环形光源线宽检测仪

也有的线宽检测仪采用了高角度环形光源照明，基原理图与环形光源结构如下图4（a）、图4（b）：

图4 高角度环形光源线宽检测仪

通过实验发现，采用这两种照明光源各有优缺点。

首先，采用低角度环形光源，成像时导线侧蚀面反射光进入成像系统的光强最强，在成像时形成亮边。其次是基材，导线顶部最弱，如图5（a）所示。图中可以看出基材、线路侧蚀面和线路顶部三者之间的边界非常明显，从而能准确地测量出导线的上下线宽与毛边的大小。但采用低角度环形光源照明，同时存在二个潜在的缺陷：

（1）当PCB的铜箔厚度达到70μm以上，且导线间的线宽/间距之比小于1/1时，由于两导线间的相互干扰，导线间的侧蚀面得不到有效的照明，产生阴影，如图5（b）。甚至，因为底部无法得到照明，而侧蚀面部分得到照明而产生伪边缘，如图5（c）。最终影响了线宽检测仪的测量结果的稳定性和准确性。随着印制电路板的高密度化和铜箔厚度薄型化发展，这种缺陷会更多的显现出来。

图5 低角度环形光源线宽检测仪获取的导线成像图

（2）导线侧蚀严重（毛边较大）时，侧蚀面反射进入成像系统的光将非常强，CCD相机的感光元器件因过度曝光而产生溢出，使得相邻像元因溢出而变亮，最终使得影像上的毛边大于实际值。对于同一条导线的同一区域，与切片测量结果相比，采用低角度环形光源的线宽检测仪测量出的上线偏小，下线宽偏大。如下表1所示。

表1 低角度环形光源照明下线宽检测仪与金相切片测量结果对比

表格中的线宽检测仪的数据是区域内的平均值，金相切片是同一区域内10个不同截面的测量值的平均值。表格中可以看出毛边越大，偏差也越大，毛边较小时，偏差相对较小。因此采用低角度照明光源在测量大毛边的导线时，可能满足不了部分印制电路板的高精度测量要求。

其次，高角度环形光源照明相对来说解决了低角度光源带来的亮边缺陷，但由于毛边与基材进入成像系统的反射光都较小，很容易造成基材、线路底部和线路顶部三者之间的对比度不够，下线宽无法测量，特别是对毛边较小的铜箔厚度较薄的板来说更是如此。如图6所示（图中线路板的铜箔厚度为18μm。这对于线宽检测仪的自动寻边测量不利，严重影响测量精度。而印制电路板的薄形化发展，将使高角度环形光源照明的线宽检测仪无法满足测量要求。

图6 高角度环形光源线宽检测仪获取的导线成像图

因此，不管是采用低角度环形源还是高角度环形光源，如果没有考虑到PCB线路中线宽/线距、基材、铜箔厚度等各种因素的综合影响，将限制线宽检测仪广泛使用。

5 新型照明光源的特点

于是，本文提出一种固定角度的组合环形光源照明系统，它吸收了低角照明光源和高角度照明光源优点，并利用两种光源互补性（低角照明光源适合于小毛边，高角度照明光源适合于大毛边），通过选择两种光源各自的发光角度，控制基材、线路底部和线路顶部反射光进入成像系统的强度来区分线路的边缘信息。具体结构如图7所示。

图7 组合环形光源示意图

该光源系统由外壳、环形PCB、LED组成，主要包括了上下两部分：上部是高角度环形光源，采用发光角度为30度LED，下部是低角度环形光源，采用发光解度为45度的LED。两部分光源单独控制，外壳起安装固定作用，并通过两组合光源之间的组合对所测线路进行准确测量。

和前面两种普通的环形光源相比，这种组合光源具有明显的优点：

（1）组合光源完全是根据线路的几何形状和光学特征，针对各种铜箔厚度、线密度及毛边大小而设计的。在这种新型光源的照明下，各种PCB线路的基材、线路底部和线路顶部都能取得很好的照明，三者之间的边界对比度明显，给后端的数字图像处理提供了真实而清晰的边界信息。

（2）照明方式的多样性。这种组合光源既可上下两部分光源单独点亮，分开照明。也可同时点亮，配合照明。

（3）这种组合光源克服了普通单一的环形光源的缺点，保证了仪器的测量精度，使仪器的适用性更广。

6 实验结果与分析

图8（A）、（B）、（C）是采用本文设计的照明光源对三种不同铜箔厚度毛边大小不同的PCB线路的成像图。从图中可以看出，不管测量何种类型铜箔厚度的板，都可以得到灰阶度对比明显的成像效果。通过图像分析软件对这三幅图分析，可以得到基材、线路底部和线路顶部的灰度分布图，分别如图9（A）、（B）、（C）。

图8 照明光源对三种不同铜箔厚度的PCB线路的成像图

图9 三种不同铜箔厚度的线路图像在垂直于线路方向的剖面灰度分布图

从以上三种常见铜箔厚度的线路的灰度分析来看，采用本文设计的新光源能够使线路的基材、线路底部和线路顶部三者之间对比度非常明显，从而保证了后续的测量。表格2是使用新型光源在正业ASIDA线宽检测仪上测出的上下线宽值与金相切片分别对5条导线进行测量结果。由于线宽检测仪测量的是区域内的平均值，而金相切片只能测量导横截面的1个端面，为了对比的合理性，金相切片的测量结果取相同区域内10个端面的平均值，所用测量工具为尼康显微镜。

表2 新型光源照明下线宽检测仪与金相切片测量结果对比

从表中的测量结果可看出，最大的偏差也不到3.5μm，且由于切片只是一个端面，而线宽检测仪是测量的是线路的某区段的平均值，因此这采用这种光源完全可以达到PCB线路板的线宽测量的高精度要求。由于采用软件自动测量，测量效率大大提高。

7 结论

从大量的实验可以看出，根据PCB线路的几何形状和光学特征，并结合影响PCB线路自动光学检测的主要因素，如铜箔厚度、线密度及毛边大小、基材、类型等设计出的LED照明光源，可以大大提高PCB线路的成像质量，从而实现对线宽/间距的高精度测量，使线宽检测仪得到广泛的应用。同时通过对这种光源的优化，此照明光源还可扩展应用到其它相关的自动光学检测设备中。

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