PCB线宽检测设备的发展现状与趋势

龙庆文 敖荟兰

（广东正业科技股份有限公司，广东 东莞 523808）

1 PCB线宽/间距的发展现状

世界通讯电子产品在向多功能化、小型化、轻量化的方向发展，致使印制电路板从过去的孔插装技术（THT）阶段，全面走上了当前的表面贴装技术（SMT）阶段和芯片级封装（CSP）阶段，将来还将走向系统封装（SIP）阶段。近几年来，多层板、挠性板、刚挠结合板、高密度互连（HDI）板、IC封装板（BGA、CSP）、特种印制板（高频板、金属基板、陶瓷基板和厚铜箔板）等PCB品种已成为主要的增长点。因此国内外未来印制板生产制造技术正向高密度，高精度，小孔径，细导线，窄间距，高可靠，多层化，高速传输，轻量化发展。总体来看，印制电路板不断走向高密度化和高性能化。

这种高密度化和高性能化，迫切要求PCB的导体精细化。作为PCB重要技术指标的线宽/间距，其值在逐年缩小，目前线宽/间距发展到了75μm，甚至50μm。导线宽度/间距为50μm ～ 75μm/50 μ m ～ 75μm的精细导线，已成为电脑、手机主板微细导线的主流。

导线精细化主要体现在两个方面：

（1）导线宽度/间距越来越小。目前和今后导线的线宽/间距（L/S）发展趋势：

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

（2）导线宽度的精度(尺寸偏差)越来越高。如表1是普通板的线宽精度要求：

表1 标称线宽允许误差±20%时不同线宽的精度要求

而对于阻抗线的实际线宽偏离要求必须控制在±10%。且普通线也会随着性能要求的提高，要求线宽尺寸偏差进一步减小（如±10%）。

2 PCB线宽检测设备的发展现状

在PCB生产过中，蚀刻是重要环节之一，而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。镀厚铜的印制板，当板经过蚀刻溶液时，蚀刻液会攻击线路两侧无保护的铜面，造成象香菇般的蚀刻缺陷[如图1(a)]。普通正常的印制板在蚀刻时，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呈一个类似梯形，一般导线底部（下线）宽于顶部（上线），称为侧蚀[见图1(b)]。侧蚀的程度是以侧向蚀刻的宽度（毛边的大小）来表示。在生产中，侧蚀若过于严重，将影响印制导线的精度，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。因此有必要通过一定的检测设备观测到侧蚀的状况，以便找出影响因素，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步工序的的数量。

另一方面，多层高密度线路板的发展以及客户对电气特性要求的不断提高，控制上线宽度和下线宽度以确保阻抗符合要求成为困扰各厂家的突出问题。过去，印制导线的宽度与通过的电流有关，只要导线的瞬间波动电流不超出允许的最大值时，线路宽度并没有严格要求。高频印制电路板出现，PCB中作为信号传输线的金属导线不仅要符合“通、断”等电气流通，更要保持信号完整性、可靠性、精确性。信号对于线路的宽度提出了严格的要求，导线宽了对于低频强电流并无影响，可对于高频信号及数据线信号，导线宜细不宜宽，宜短不宜长，这样可以消除线路间信号的耦合和同步问题，减小感应电磁干扰。如果没有恰当的线宽/间距检测手段，就无法有效的评估当前工艺制程下的生产质量水平，也就无法严格控制线宽/间距的尺寸。

为此，国内外一直在努力开发和使用高精度、高可靠性的检测设备。虽然PCB各方面的检测设备近年来取得了很大的进展，从人工目检（MVI）→飞针测试（FPT）→在线测试（ICT）→自动光学检测（AOI）→自动X射线检测（AXI）→功能检测（FCT）过渡，但作为PCB重要特性的线宽/间距的测量设备进展并不如意，主要受限于导线的精细化、影响蚀刻因素的多样化以及这些测试设备的设计局限性和发展水平。

2.1 人工目检

人工目检是PCB板上的导线宽度以及线距的量测最传统的方法，也是当前PCB板厂家依然正在使用的主要方法。人工目测主要有两种方式：

一种是依靠人眼加50倍到100倍甚至200倍带刻度的工具显微镜来完成。这种检测方法需要靠熟练的操作员，操作员必须要很小心地计算这些细导线，以免发生错误，以及光线对人眼的影响、毛边的影响，导致目镜量测时不同人员量测的结果存在一定的误差。并且长时间操作眼睛很容易疲劳。同时由于边界判断的方式因人而异，很容易会发生不同操作者测出不同的结果。甚至由于疲劳度的因素，同一个操作员在不同时间的量测数据都会有所不同，造成不可靠的结果。检测速度慢，漏检率高。同时还会导致检测人员的视力下降，影响人体健康。

另一种是金相切片检测技术，是先通过切片技术对导线进行横截面处理，然后再通过金相显微镜作检测。在金相切片的制作过程，通过采用大量图片和举例的方式，可以解决生产中出现质量问题。但金相切片要通过抽取待检生产板→ 取样→ 精密切割到符合模具大小→ 灌模→ 粗磨→ 细磨→ 抛光→微蚀→ 观测等工艺流程。每一个工艺环节都会给整个金相切片过程带来不可控制的人为误差，因此这种测试方法要求操作人员有熟练的切片制作技术。并且由于此方法属于破坏性检测，难以在大规模生产过程中使用。

总之，人工目测作为一种投资小的检测手段，在过去被印制板生产厂家广范采用。但在人力成本增加，导体精细化的今天，人工目测已经无法适应于PCB生产厂家用于导线线宽/线距的测量。

2.2 飞针测试（FPT）、在线测试（ICT）及功能检测（FCT）

飞针测试（FPT）、在线测试（ICT）以及功能检测（FCT）随着SMC/SMD的小型化和PCB的高密度化，在高密度线宽/间距测量方面已处于“无立锥之地”的困境。主要原因是这三种测试方式均属于定性通断测试，无法对线宽线距的尺寸进行定量测量。

2.3 自动光学检测（AOI）

在半导体芯片制造封装过程中得到了广泛应用的自动光学检测（AOI）目前在PCB检测中也得到越来越广泛的应用。AOI从电路图形的外观检测到内层电路图形的检测，并把单纯的检测推向监控和缺陷的修补相结合的方向发展。其主要特点是：使用和应用计算机软硬件技术、高速图象处理与模式识别技术、高速处理硬件、自动控制、精密机械及光学技术、是综合多种高科技技术的产物。对检测部件不破坏、不接触、无损伤，能检测某些接触式测试检测不到的地方可实现定性测量。

AOI（光学测试仪）是通过设计规则检查法和图像识别法对二维图像进行量测，它能初步检测导线和线间距宽度。随着表面贴装技术和三维模压印制电路板的发展，并借助于更先进的传感器和成像技术，将来也许还能检测导线的高度。非接触式AOI测试技术集X-射线、红外技术和其它检测技术于一身产品，它能检测开路、短路、残铜、针孔、缺口、突起、侧蚀等缺陷。因此AOI系统常置于关键位置检测，监控具体生产状况，并为生产工艺的调整提供必要的依据。但AOI对于精细导线的线宽/间距尺寸测量还是存在很大的不足。首先，由于AOI检测项目多，视野范围大，其测量精度必然低。目前国际上AOI能检测的最小线宽/间距在也都只能达30μm左右，最小分辨率在10μm左右，国内的同类产品就更低了，再加运动控制带来系统误差，实际的测量精度就更低了。作为光学检测仪的知名品牌，如以色列奥宝（Orbotech）最新的AOI光学检查仪的最小测量线宽/线距为25μm，最小分辨率在7μm；其次，AOI所采用的设计规则检查法和图像识别法测试原理，限制了AOI只能对线宽/线距进行定性的测量，即与设计的导线图形（即母板资料）相比的一个比值（如±20%），而不能进行实际的尺寸测量；最后AOI的成本高，操作复杂。这些都决定了AOI并不是一种理想的线宽/间距测量工具。

2.4 自动X射线检测（AXI）

X-光内层透视检测技术主要是通过不同材料和同种材料不同厚度对X光的吸收，然后通过光学成像和图像处理技术对其进行分析测量。早期使用的X光因焦距大至300μm的程度，其检测精度只能达到50μm。目前焦距已达到微米级，理论上已能进行精度为10微米的测量。与图象处理并用，目前已能达到25μm，能对多层印制电路板的内层电路图形进行一定的透视和检测。但随着导线精细化，铜箔厚度必然薄形化，线路底部与顶部X光吸收的差别非常小，图像上将根本无法辨别，因此X-光内层透视检测技术也无法满足导线精细化的线宽/间距和线路侧蚀的高精度测量要求。

总之，传统与现有PCB检测手段和设备对线宽/间距的测量都存一定的缺陷。为了满足PCB高密度化和高性能化的发展，研制出针对线宽/间距的专门检测工具，成为目前PCB生产厂家的迫切期望。

3 PCB线宽检测仪的工作原理和主要特点

线宽检测仪是当前专门为了应对导体精细化而研制的线宽/间距检测设备，它是利用PCB板中基材的光学散射和铜箔的反射特性而对线路进行非接触式光学检测设备，通过光学成像的方法获得被测对象（PCB线路）的图像，经过特定处理算法处理、分析及测量。由于考虑到AOI中运动控制带来的系统误差，线宽检测仪目前大多数采用人工移动测量仪器或被测印制板的方式进行测量。原理图如下图2所示。

图2 线宽检测仪原理图

从图2中可以看出，与常用的AOI相比，线宽检测仪主要是针对性地利用了PCB线路的横截面类梯形状结构特征，并利用PCB基材和铜面的光学性质不同以及线路铜面与侧蚀面的反光角度不同来设计有效的照明光源与成像系统，最终运用高效的图像处理软件来进行精细导线的线宽/线距测量。当照明光源以一定的角度照射到被测线路时，由于线路上表面、侧蚀面和基材的反光角度的不同，进入到CCD相机的光强度也就不同，从而在CCD相机中形成灰阶度对比明显的线路图像。如下图3所示，其中（a）、（b）是采用不同光源的线宽检测仪显示的实际线路成像图，两副图中两条线路的共同特点就是图中线路的基材、线路底部和线路顶部（侧蚀）边界明显，采用特定的处理算法，就可以对线路的线宽/间距进行准确的测量。不同点是它们采用了不同的图像处理算法和照明光源。

图3 线宽检测仪在不同光照情况下实际导线的影像图

与其它PCB检测设备相比，线宽检测仪的特点主要有以下几点：

（1）功能针对性强。目前线宽检测仪主要用来对PCB进行高精密的尺寸测量，如线宽/间距、圆孔大小、焊盘（PAD）的大小等尺寸测量。

（2）操作简单。操作人员只要会操作鼠标，就可以运用线宽检测仪进行测量。

（3）测试效率高。采用软件自动寻边测量，测试效率远高于人工目测。在如今劳动力成本不断上涨的今天，人力成本明显降低。

（4）测量精度高。线宽检测仪目前的精度都达到了一个像素（1piexl），结合光学放大最高精度小于1μm。下表2是ASIDA线宽检测XK22和金相切片技术对同一条线路的实际测试结果的对比。

表2 （单位：μm）

由于线宽检测仪的线宽测量是采用区域内的自动寻边测量，因此测量结果是所选区域线路的线宽平均值。而金相切片测量的是一个端面的值，因此表格中线宽检测仪的测量结果相当于为所选区域的10个切片端面的平均值。通常情况下，对于单个端面的值，误差相对会大些，而线路的平均值更能体现线路的侧蚀情况。

（5）线宽检测仪还可不接触、不破坏、无损伤地，对线底和线顶、孔毛边、焊盘毛边等进行尺寸测量。

线宽检测仪作为线宽/间距的专针性测量工具，不但满足了导线精细化的测量要求，而且可以大大降低生产成本。当然线宽检测仪要真正发挥它的高精度特性，还有待于数字图像处理技术与照明技术等关键技术的进一步发展，这也是线宽检测仪广泛应用的前提条件。目前在高精度线路测量方面，线宽检测仪已成了各生产厂家的首选，如生益、华通、超声、深南、方正等大部分PCB生产厂家都已使用线宽检测仪来进行线宽/间距检测。

4 PCB线宽检测设备的发展趋势

随着PCB产品的不断发展，PCB生产技术的不断进步，PCB线宽检测设备由原始的目视测量向自动光学测量发展已成为必然。当前市场上的高精度线宽检测仪已实现软件自动寻边，自动计算线路宽度功能，但由于受限于小视野自动定位技术、高精密运动控制技术、图像处理技术、照明成像技术等发展水平，当前市场上高精度的线宽检测仪都还停留在人工操作阶段，需要操作者进行手动调焦、手动移板到指定测量位置，手动选择测量点等操作。随着上述技术的不断发展，在线测量型全自动的线宽检测仪将可实现自动聚焦、自动定位、自动三维影像量测。最终将成为PCB线宽/间距等高精度尺寸检测中必不可少的工具，更是大规模生产过程中PCB全程质量控制的必备设备。

参考资料

[1]艾海舟, 武勃等译. 图像处理、分析与机器视觉[M]. 第二版. 北京:人民邮电出版社, 2003,9.

[2]李汉国, 何星, 阎晓娜. 印制电路板的自动光学检测[J]. 无损检测, 2004,6.

[3]姚立新, 张武学, 连军莉. AOI系统在PCB中的应用[J]. 测试和测量技术, 2004,5.

[4]张凤林, 孙学珠. 光学工程[M]. 天津:天津大学出版社, 1996.

[5]电路板PCB测试性技术发展之路[J]. 电子工程世界, 2011,2.

[6]陈永健. PCB技术的发展趋势展望[J]. 中国科技信息, 2010,17.

[7]林金堵. 中国PCB工业的发展趋势[J]. 印制电路信息, 2010,12.

[8]2011-2015年中国PCB行业市场调研及发展预测报告.