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時代的來臨，電子產(chǎn)品性能和功能不斷提高，市場對印制電路板（PCB）的要求也越來越高[1]。覆銅板（CCL）的厚度成為影響PCB質(zhì)量的一個重要影響因素[2]，對CCL厚度的檢測是管控PCB質(zhì)量的必要手段。CCL的厚度如果不滿足要求不僅會影響后續(xù)的加工進程和質(zhì)量，還會影響電子元器件的貼裝，從而影響電子裝置的性能。對于多層PCB厚度超差累積甚至會造成整塊多層板超差而報廢，因此檢測控制板的厚度是必不可少的[3]。目前的檢測方式主要有千分表測量和半自動接觸式測量，前者測量結(jié)果受操作人員的操作水平影響較大，測量效率低、穩(wěn)定性差，難以滿足日益擴大的市場規(guī)模和高精度的要求；半自動接觸式測量雖然測試效率有所提高，但不能精確測出每一個點的準確位置。

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

1 測試原理及方法

1.1 測試原理

本方法利用單點激光三角法，通過測量激光在不同厚度物體反射后的光斑位移量來實現(xiàn)[4]。半導體激光器（LD）發(fā)出的光線經(jīng)過會聚透鏡聚焦到被測物體上，形成一個光點，光點在物體表面發(fā)生散射，其中一部分散射光通過接受透鏡并在電荷耦合器件（CCD）上成像。

當被測物體從零位所在基準面移動到被測位置，將導致光點沿著激光束的方向產(chǎn)生位移，那么CCD上的像點會產(chǎn)生相應(yīng)的移動，通過采集位移量進行數(shù)據(jù)處理即可得到物體的位移，要保證檢測精度，光點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反射型的激光位移傳感器，當成像光軸與CCD成像平面垂直，散射光點在傳感器的零位線所在的平面上，半導體激光器發(fā)出的激光經(jīng)過會聚透鏡聚焦到被測物體上O點。光點在物體表面發(fā)生散射，一部分散射光通過接受透鏡并在CCD上成像，將CCD上的成像點與預先設(shè)定的基準像點進行比較，即可得到成像點與基準像點之間的位移X1，過計算即可得到d+，同理可得到d-，計算可得到板件厚度。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；成像點與基準像點之間的位移分別為X1、X2。當板的下表面不在零位時，由圖可以看出，板厚計算公式為：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受噪音、溫度、震動、氣流的影響，則實際測量所得值需要添加一個參數(shù)變量值即d實際=d+△。其中d為探頭測得值，△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 測量方法

根據(jù)上述測試原理，設(shè)計出一種新型在線檢測PCB厚度的檢測設(shè)備。外觀如圖2所示，該裝置由整板機構(gòu)、輸送平臺、測試機構(gòu)、計算機軟件系統(tǒng)等組成。下面簡要闡述在線板厚檢查機的工作原理：當有PCB通過整板機構(gòu)時，其內(nèi)部的信號裝置觸發(fā)并給出整板信號進行整板，再由運輸平臺將板件運輸?shù)酱郎y區(qū)域。上下3組高速高精度的激光位移傳感器通過絲桿移動到相應(yīng)的坐標，激光器發(fā)射激光束到測試板件的表面，通過CDD信號采集、處理得到測試點的d+和d-，通過對采集到的數(shù)據(jù)進行處理即可得到板厚d，與標準參數(shù)對比，以判斷板件是否滿足要求。

圖1 測試原理圖

在機構(gòu)方面有重大突破：整板機構(gòu)在輸送方向上由7組錐齒輪帶動的塑膠滾輪組成，整套機構(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險。測試機構(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。前期實驗表明，采用一體式傳感器支架測試所得數(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]，測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和精度大幅提高（如圖2）。

圖2 檢測設(shè)備圖

2 試驗與結(jié)果分析

在室溫下，分別采用靜態(tài)測試和動態(tài)測試來驗證上述測量方法的可行性。在靜態(tài)測試中對標準片進行標定，對測試結(jié)果進行分析，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整在動態(tài)測量中的補償值。

2.1 靜態(tài)測試結(jié)果

靜態(tài)測試采用厚度分別為0.5 mm、1 mm、5 mm三種規(guī)格的標準片來驗證[7]，每20 ms采集一個數(shù)據(jù)，共采集了131072個點，記錄測量數(shù)據(jù)，通過LKNavigator軟件處理實驗數(shù)據(jù)，其結(jié)果（如圖3）。

圖3 靜態(tài)測試結(jié)果

從圖3可以看出：當測試時間少于30 min時，測試數(shù)據(jù)波動明顯，且具有隨著測試時間的增加，波動幅度減弱的規(guī)律。其中1 mm的標準片表現(xiàn)的尤為明顯，可能的原因是激光位移傳感器需要一個30 min的預熱過程，在預熱的過程中導致測量不穩(wěn)定；當測試時間大于300 min后，測試數(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)測試數(shù)據(jù)表明：文章所提出的測量方法在激光位移傳感器經(jīng)充分預熱后，測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、效率高。

2.2 動態(tài)測試結(jié)果

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

（1）240 mm×440 mm×0.8 mm；

（2）510 mm×610 mm×1.53 mm。

在試驗的過程中，選取板件的左、中、右位置進行測試，表1為截取的10組數(shù)據(jù)（見表1）。

從上述試驗數(shù)據(jù)分析，在同一速度下各組數(shù)據(jù)的重復精度不超過0.01 mm，達到行業(yè)的板厚檢測要求[8]，符合PCB行業(yè)標準。采用九點法測量板件厚度，半自動設(shè)備測量9個點需要的時間至少18 s，而本設(shè)備若按12 m/min的速度計算僅需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測量覆銅板和印制電路板（PCB）厚度的非接觸式檢測方法，并將其應(yīng)用在覆銅板和PCB的厚度在線檢測設(shè)備上。根據(jù)靜態(tài)與動態(tài)的實驗數(shù)據(jù)表明：本測量方法在激光位移傳感器經(jīng)充分預熱后，

測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、效率高，重復精度不超過0.01 mm，達到了行業(yè)內(nèi)對板厚的檢測要求。除此之外，還可以和客戶的MES系統(tǒng)對接，根據(jù)測試得到的數(shù)據(jù)，便于及時調(diào)整前后端的工藝。