一种高效的PCB厚度检测方法

王 兴 李 彬 陈列坤 孙楚光 陶云刚

（广东正业科技股份有限公司，广东 东莞 523000）

0 引言

随着5G时代的来临，电子产品性能和功能不断提高，市场对印制电路板（PCB）的要求也越来越高[1]。覆铜板（CCL）的厚度成为影响PCB质量的一个重要影响因素[2]，对CCL厚度的检测是管控PCB质量的必要手段。CCL的厚度如果不满足要求不仅会影响后续的加工进程和质量，还会影响电子元器件的贴装，从而影响电子装置的性能。对于多层PCB厚度超差累积甚至会造成整块多层板超差而报废，因此检测控制板的厚度是必不可少的[3]。目前的检测方式主要有千分表测量和半自动接触式测量，前者测量结果受操作人员的操作水平影响较大，测量效率低、稳定性差，难以满足日益扩大的市场规模和高精度的要求；半自动接触式测量虽然测试效率有所提高，但不能精确测出每一个点的准确位置。

本文提出了一种在线测量PCB厚度的方法，不仅测量稳定性好，还能有效提高生产效率和测量精度。除此之外，还可以和客户的MES系统对接，根据测试得到的数据，便于及时调整前后端的工艺。

1 测试原理及方法

1.1 测试原理

本方法利用单点激光三角法，通过测量激光在不同厚度物体反射后的光斑位移量来实现[4]。半导体激光器（LD）发出的光线经过会聚透镜聚焦到被测物体上，形成一个光点，光点在物体表面发生散射，其中一部分散射光通过接受透镜并在电荷耦合器件（CCD）上成像。

当被测物体从零位所在基准面移动到被测位置，将导致光点沿着激光束的方向产生位移，那么CCD上的像点会产生相应的移动，通过采集位移量进行数据处理即可得到物体的位移，要保证检测精度，光点所成的像完整的聚焦在CCD上，就必须满足成像面，物面和透镜平面必须相交于同一直线上[5]。

本方法采用上下两个反射型的激光位移传感器，当成像光轴与CCD成像平面垂直，散射光点在传感器的零位线所在的平面上，半导体激光器发出的激光经过会聚透镜聚焦到被测物体上O点。光点在物体表面发生散射，一部分散射光通过接受透镜并在CCD上成像，将CCD上的成像点与预先设定的基准像点进行比较，即可得到成像点与基准像点之间的位移X1，过计算即可得到d+，同理可得到d-，计算可得到板件厚度。图示中传感器的上下极限位就是激光位移传感器的最大测量范围如图1、式（1）、式（2）。

其中，a为成像光轴上的等效物距；b为成像光轴的等效物距；θ为入射光轴与成像光轴所成的夹角；成像点与基准像点之间的位移分别为X1、X2。当板的下表面不在零位时，由图可以看出，板厚计算公式为：d=d-+d+。根据公式（1）与公式（2）可得公式（3）：

由于在流水线环境中，需要考虑传感器的检测受噪音、温度、震动、气流的影响，则实际测量所得值需要添加一个参数变量值即d实际=d+△。其中d为探头测得值，△为参数变量值，△根据板件材料，温度等工作状况不同而有所区别。

1.2 测量方法

根据上述测试原理，设计出一种新型在线检测PCB厚度的检测设备。外观如图2所示，该装置由整板机构、输送平台、测试机构、计算机软件系统等组成。下面简要阐述在线板厚检查机的工作原理：当有PCB通过整板机构时，其内部的信号装置触发并给出整板信号进行整板，再由运输平台将板件运输到待测区域。上下3组高速高精度的激光位移传感器通过丝杆移动到相应的坐标，激光器发射激光束到测试板件的表面，通过CDD信号采集、处理得到测试点的d+和d-，通过对采集到的数据进行处理即可得到板厚d，与标准参数对比，以判断板件是否满足要求。

图1 测试原理图

在机构方面有重大突破：整板机构在输送方向上由7组锥齿轮带动的塑胶滚轮组成，整套机构既保证了滚轮与前端皮带线速度之间的带速差也降低了擦伤板件的风险。测试机构采用中间传感器位置固定、两端传感器位置由滚珠丝杆调节的模式。前期实验表明，采用一体式传感器支架测试所得数据比较稳定，传感器支架的材质为大理石，因此结构稳定可靠、热膨胀系数小[6]，测试数据稳定性和精度大幅提高（如图2）。

图2 检测设备图

2 试验与结果分析

在室温下，分别采用静态测试和动态测试来验证上述测量方法的可行性。在静态测试中对标准片进行标定，对测试结果进行分析，根据测试结果调整在动态测量中的补偿值。

2.1 静态测试结果

静态测试采用厚度分别为0.5 mm、1 mm、5 mm三种规格的标准片来验证[7]，每20 ms采集一个数据，共采集了131072个点，记录测量数据，通过LKNavigator软件处理实验数据，其结果（如图3）。

图3 静态测试结果

从图3可以看出：当测试时间少于30 min时，测试数据波动明显，且具有随着测试时间的增加，波动幅度减弱的规律。其中1 mm的标准片表现的尤为明显，可能的原因是激光位移传感器需要一个30 min的预热过程，在预热的过程中导致测量不稳定；当测试时间大于300 min后，测试数据趋于稳定，最大值和最小值差值在0.005 mm以内。静态测试数据表明：文章所提出的测量方法在激光位移传感器经充分预热后，测试数据稳定可靠、效率高。

2.2 动态测试结果

以12 m/min和15 m/min的流水线速度为例，分别测试了两种尺寸规格的覆铜板：

（1）240 mm×440 mm×0.8 mm；

（2）510 mm×610 mm×1.53 mm。

在试验的过程中，选取板件的左、中、右位置进行测试，表1为截取的10组数据（见表1）。

从上述试验数据分析，在同一速度下各组数据的重复精度不超过0.01 mm，达到行业的板厚检测要求[8]，符合PCB行业标准。采用九点法测量板件厚度，半自动设备测量9个点需要的时间至少18 s，而本设备若按12 m/min的速度计算仅需3 s，效率大约提高6倍。

3 结论

本文提出了一种利用激光位移传感器来测量覆铜板和印制电路板（PCB）厚度的非接触式检测方法，并将其应用在覆铜板和PCB的厚度在线检测设备上。根据静态与动态的实验数据表明：本测量方法在激光位移传感器经充分预热后，

测试数据稳定可靠、效率高，重复精度不超过0.01 mm，达到了行业内对板厚的检测要求。除此之外，还可以和客户的MES系统对接，根据测试得到的数据，便于及时调整前后端的工艺。