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(shù)（THT）階段，全面走上了當(dāng)前的表面貼裝技術(shù)（SMT）階段和芯片級(jí)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(zhǎng)點(diǎn)。因此國內(nèi)外未來印制板生產(chǎn)制造技術(shù)正向高密度，高精度，小孔徑，細(xì)導(dǎo)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(dǎo)體精細(xì)化。作為PCB重要技術(shù)指標(biāo)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(dǎo)線寬度/間距為50μm ～ 75μm/50 μ m ～ 75μm的精細(xì)導(dǎo)線，已成為電腦、手機(jī)主板微細(xì)導(dǎo)線的主流。

導(dǎo)線精細(xì)化主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

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

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

（2）導(dǎo)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(biāo)稱線寬允許誤差±20%時(shí)不同線寬的精度要求

而對(duì)于阻抗線的實(shí)際線寬偏離要求必須控制在±10%。且普通線也會(huì)隨著性能要求的提高，要求線寬尺寸偏差進(jìn)一步減?。ㄈ纭?0%）。

2 PCB線寬檢測(cè)設(shè)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(shí)間等因素直接影響PCB線路的質(zhì)量，控制不好將會(huì)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(dāng)板經(jīng)過蝕刻溶液時(shí)，蝕刻液會(huì)攻擊線路兩側(cè)無保護(hù)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(shí)，蝕刻液不僅在垂直方向侵蝕導(dǎo)線面銅層，同時(shí)會(huì)在水平方向腐蝕銅層，使蝕刻后的線條截面呈一個(gè)類似梯形，一般導(dǎo)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(yán)重，將影響印制導(dǎo)線的精度，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(huì)造成導(dǎo)線短路。因此有必要通過一定的檢測(cè)設(shè)備觀測(cè)到側(cè)蝕的狀況，以便找出影響因素，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(duì)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(dǎo)線的寬度與通過的電流有關(guān)，只要導(dǎo)線的瞬間波動(dòng)電流不超出允許的最大值時(shí)，線路寬度并沒有嚴(yán)格要求。高頻印制電路板出現(xiàn)，PCB中作為信號(hào)傳輸線的金屬導(dǎo)線不僅要符合“通、斷”等電氣流通，更要保持信號(hào)完整性、可靠性、精確性。信號(hào)對(duì)于線路的寬度提出了嚴(yán)格的要求，導(dǎo)線寬了對(duì)于低頻強(qiáng)電流并無影響，可對(duì)于高頻信號(hào)及數(shù)據(jù)線信號(hào)，導(dǎo)線宜細(xì)不宜寬，宜短不宜長(zhǎng)，這樣可以消除線路間信號(hào)的耦合和同步問題，減小感應(yīng)電磁干擾。如果沒有恰當(dāng)?shù)木€寬/間距檢測(cè)手段，就無法有效的評(píng)估當(dāng)前工藝制程下的生產(chǎn)質(zhì)量水平，也就無法嚴(yán)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(cè)設(shè)備。雖然PCB各方面的檢測(cè)設(shè)備近年來取得了很大的進(jìn)展，從人工目檢（MVI）→飛針測(cè)試（FPT）→在線測(cè)試（ICT）→自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）→自動(dòng)X射線檢測(cè)（AXI）→功能檢測(cè)（FCT）過渡，但作為PCB重要特性的線寬/間距的測(cè)量設(shè)備進(jìn)展并不如意，主要受限于導(dǎo)線的精細(xì)化、影響蝕刻因素的多樣化以及這些測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)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(dǎo)線寬度以及線距的量測(cè)最傳統(tǒng)的方法，也是當(dāng)前PCB板廠家依然正在使用的主要方法。人工目測(cè)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(cè)方法需要靠熟練的操作員，操作員必須要很小心地計(jì)算這些細(xì)導(dǎo)線，以免發(fā)生錯(cuò)誤，以及光線對(duì)人眼的影響、毛邊的影響，導(dǎo)致目鏡量測(cè)時(shí)不同人員量測(cè)的結(jié)果存在一定的誤差。并且長(zhǎng)時(shí)間操作眼睛很容易疲勞。同時(shí)由于邊界判斷的方式因人而異，很容易會(huì)發(fā)生不同操作者測(cè)出不同的結(jié)果。甚至由于疲勞度的因素，同一個(gè)操作員在不同時(shí)間的量測(cè)數(shù)據(jù)都會(huì)有所不同，造成不可靠的結(jié)果。檢測(cè)速度慢，漏檢率高。同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)人員的視力下降，影響人體健康。

另一種是金相切片檢測(cè)技術(shù)，是先通過切片技術(shù)對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行橫截面處理，然后再通過金相顯微鏡作檢測(cè)。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(xì)磨→ 拋光→微蝕→ 觀測(cè)等工藝流程。每一個(gè)工藝環(huán)節(jié)都會(huì)給整個(gè)金相切片過程帶來不可控制的人為誤差，因此這種測(cè)試方法要求操作人員有熟練的切片制作技術(shù)。并且由于此方法屬于破壞性檢測(cè)，難以在大規(guī)模生產(chǎn)過程中使用。

總之，人工目測(cè)作為一種投資小的檢測(cè)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(dǎo)體精細(xì)化的今天，人工目測(cè)已經(jīng)無法適應(yīng)于PCB生產(chǎn)廠家用于導(dǎo)線線寬/線距的測(cè)量。

2.2 飛針測(cè)試（FPT）、在線測(cè)試（ICT）及功能檢測(cè)（FCT）

飛針測(cè)試（FPT）、在線測(cè)試（ICT）以及功能檢測(cè)（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(cè)量方面已處于“無立錐之地”的困境。主要原因是這三種測(cè)試方式均屬于定性通斷測(cè)試，無法對(duì)線寬線距的尺寸進(jìn)行定量測(cè)量。

2.3 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）

在半導(dǎo)體芯片制造封裝過程中得到了廣泛應(yīng)用的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）目前在PCB檢測(cè)中也得到越來越廣泛的應(yīng)用。AOI從電路圖形的外觀檢測(cè)到內(nèi)層電路圖形的檢測(cè)，并把單純的檢測(cè)推向監(jiān)控和缺陷的修補(bǔ)相結(jié)合的方向發(fā)展。其主要特點(diǎn)是：使用和應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、高速圖象處理與模式識(shí)別技術(shù)、高速處理硬件、自動(dòng)控制、精密機(jī)械及光學(xué)技術(shù)、是綜合多種高科技技術(shù)的產(chǎn)物。對(duì)檢測(cè)部件不破壞、不接觸、無損傷，能檢測(cè)某些接觸式測(cè)試檢測(cè)不到的地方可實(shí)現(xiàn)定性測(cè)量。

AOI（光學(xué)測(cè)試儀）是通過設(shè)計(jì)規(guī)則檢查法和圖像識(shí)別法對(duì)二維圖像進(jìn)行量測(cè)，它能初步檢測(cè)導(dǎo)線和線間距寬度。隨著表面貼裝技術(shù)和三維模壓印制電路板的發(fā)展，并借助于更先進(jìn)的傳感器和成像技術(shù)，將來也許還能檢測(cè)導(dǎo)線的高度。非接觸式AOI測(cè)試技術(shù)集X-射線、紅外技術(shù)和其它檢測(cè)技術(shù)于一身產(chǎn)品，它能檢測(cè)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(guān)鍵位置檢測(cè)，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(duì)于精細(xì)導(dǎo)線的線寬/間距尺寸測(cè)量還是存在很大的不足。首先，由于AOI檢測(cè)項(xiàng)目多，視野范圍大，其測(cè)量精度必然低。目前國際上AOI能檢測(cè)的最小線寬/間距在也都只能達(dá)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(yùn)動(dòng)控制帶來系統(tǒng)誤差，實(shí)際的測(cè)量精度就更低了。作為光學(xué)檢測(cè)儀的知名品牌，如以色列奧寶（Orbotech）最新的AOI光學(xué)檢查儀的最小測(cè)量線寬/線距為25μm，最小分辨率在7μm；其次，AOI所采用的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查法和圖像識(shí)別法測(cè)試原理，限制了AOI只能對(duì)線寬/線距進(jìn)行定性的測(cè)量，即與設(shè)計(jì)的導(dǎo)線圖形（即母板資料）相比的一個(gè)比值（如±20%），而不能進(jìn)行實(shí)際的尺寸測(cè)量；最后AOI的成本高，操作復(fù)雜。這些都決定了AOI并不是一種理想的線寬/間距測(cè)量工具。

2.4 自動(dòng)X射線檢測(cè)（AXI）

X-光內(nèi)層透視檢測(cè)技術(shù)主要是通過不同材料和同種材料不同厚度對(duì)X光的吸收，然后通過光學(xué)成像和圖像處理技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析測(cè)量。早期使用的X光因焦距大至300μm的程度，其檢測(cè)精度只能達(dá)到50μm。目前焦距已達(dá)到微米級(jí)，理論上已能進(jìn)行精度為10微米的測(cè)量。與圖象處理并用，目前已能達(dá)到25μm，能對(duì)多層印制電路板的內(nèi)層電路圖形進(jìn)行一定的透視和檢測(cè)。但隨著導(dǎo)線精細(xì)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(cè)技術(shù)也無法滿足導(dǎo)線精細(xì)化的線寬/間距和線路側(cè)蝕的高精度測(cè)量要求。

總之，傳統(tǒng)與現(xiàn)有PCB檢測(cè)手段和設(shè)備對(duì)線寬/間距的測(cè)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(duì)線寬/間距的專門檢測(cè)工具，成為目前PCB生產(chǎn)廠家的迫切期望。

3 PCB線寬檢測(cè)儀的工作原理和主要特點(diǎn)

線寬檢測(cè)儀是當(dāng)前專門為了應(yīng)對(duì)導(dǎo)體精細(xì)化而研制的線寬/間距檢測(cè)設(shè)備，它是利用PCB板中基材的光學(xué)散射和銅箔的反射特性而對(duì)線路進(jìn)行非接觸式光學(xué)檢測(cè)設(shè)備，通過光學(xué)成像的方法獲得被測(cè)對(duì)象（PCB線路）的圖像，經(jīng)過特定處理算法處理、分析及測(cè)量。由于考慮到AOI中運(yùn)動(dòng)控制帶來的系統(tǒng)誤差，線寬檢測(cè)儀目前大多數(shù)采用人工移動(dòng)測(cè)量?jī)x器或被測(cè)印制板的方式進(jìn)行測(cè)量。原理圖如下圖2所示。

圖2 線寬檢測(cè)儀原理圖

從圖2中可以看出，與常用的AOI相比，線寬檢測(cè)儀主要是針對(duì)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(xué)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(shè)計(jì)有效的照明光源與成像系統(tǒng)，最終運(yùn)用高效的圖像處理軟件來進(jìn)行精細(xì)導(dǎo)線的線寬/線距測(cè)量。當(dāng)照明光源以一定的角度照射到被測(cè)線路時(shí)，由于線路上表面、側(cè)蝕面和基材的反光角度的不同，進(jìn)入到CCD相機(jī)的光強(qiáng)度也就不同，從而在CCD相機(jī)中形成灰階度對(duì)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(cè)儀顯示的實(shí)際線路成像圖，兩副圖中兩條線路的共同特點(diǎn)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(duì)線路的線寬/間距進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。不同點(diǎn)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(cè)儀在不同光照情況下實(shí)際導(dǎo)線的影像圖

與其它PCB檢測(cè)設(shè)備相比，線寬檢測(cè)儀的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）功能針對(duì)性強(qiáng)。目前線寬檢測(cè)儀主要用來對(duì)PCB進(jìn)行高精密的尺寸測(cè)量，如線寬/間距、圓孔大小、焊盤（PAD）的大小等尺寸測(cè)量。

（2）操作簡(jiǎn)單。操作人員只要會(huì)操作鼠標(biāo)，就可以運(yùn)用線寬檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量。

（3）測(cè)試效率高。采用軟件自動(dòng)尋邊測(cè)量，測(cè)試效率遠(yuǎn)高于人工目測(cè)。在如今勞動(dòng)力成本不斷上漲的今天，人力成本明顯降低。

（4）測(cè)量精度高。線寬檢測(cè)儀目前的精度都達(dá)到了一個(gè)像素（1piexl），結(jié)合光學(xué)放大最高精度小于1μm。下表2是ASIDA線寬檢測(cè)XK22和金相切片技術(shù)對(duì)同一條線路的實(shí)際測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。

表2 （單位：μm）

由于線寬檢測(cè)儀的線寬測(cè)量是采用區(qū)域內(nèi)的自動(dòng)尋邊測(cè)量，因此測(cè)量結(jié)果是所選區(qū)域線路的線寬平均值。而金相切片測(cè)量的是一個(gè)端面的值，因此表格中線寬檢測(cè)儀的測(cè)量結(jié)果相當(dāng)于為所選區(qū)域的10個(gè)切片端面的平均值。通常情況下，對(duì)于單個(gè)端面的值，誤差相對(duì)會(huì)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(cè)儀還可不接觸、不破壞、無損傷地，對(duì)線底和線頂、孔毛邊、焊盤毛邊等進(jìn)行尺寸測(cè)量。

線寬檢測(cè)儀作為線寬/間距的專針性測(cè)量工具，不但滿足了導(dǎo)線精細(xì)化的測(cè)量要求，而且可以大大降低生產(chǎn)成本。當(dāng)然線寬檢測(cè)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(shù)與照明技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這也是線寬檢測(cè)儀廣泛應(yīng)用的前提條件。目前在高精度線路測(cè)量方面，線寬檢測(cè)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(cè)儀來進(jìn)行線寬/間距檢測(cè)。

4 PCB線寬檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

隨著PCB產(chǎn)品的不斷發(fā)展，PCB生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，PCB線寬檢測(cè)設(shè)備由原始的目視測(cè)量向自動(dòng)光學(xué)測(cè)量發(fā)展已成為必然。當(dāng)前市場(chǎng)上的高精度線寬檢測(cè)儀已實(shí)現(xiàn)軟件自動(dòng)尋邊，自動(dòng)計(jì)算線路寬度功能，但由于受限于小視野自動(dòng)定位技術(shù)、高精密運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、圖像處理技術(shù)、照明成像技術(shù)等發(fā)展水平，當(dāng)前市場(chǎng)上高精度的線寬檢測(cè)儀都還停留在人工操作階段，需要操作者進(jìn)行手動(dòng)調(diào)焦、手動(dòng)移板到指定測(cè)量位置，手動(dòng)選擇測(cè)量點(diǎn)等操作。隨著上述技術(shù)的不斷發(fā)展，在線測(cè)量型全自動(dòng)的線寬檢測(cè)儀將可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦、自動(dòng)定位、自動(dòng)三維影像量測(cè)。最終將成為PCB線寬/間距等高精度尺寸檢測(cè)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(shè)備。

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