在多层PCB生产中，如何高效率实现介电层亚微米级厚度非接触检测，确保信号完整性？【自动化检测, 质量控制】

在精密制造领域，特别是多层印制电路板（PCB）的生产中，如何精确测量板层间的微米级厚度，是一个确保产品质量和可靠性的核心挑战。多层PCB就好比一本精密的书，每一页（导电层）和每一层胶水（绝缘介质）的厚度都必须精确无误，才能保证信号传输顺畅，不会出现“断层”或“短路”等问题。为了满足像IPC-A-600这样的行业质量标准，我们需要非接触式的微米级测量方法。

1. 多层PCB板的基本结构与技术要求

多层PCB是由多层导电图形与绝缘材料交错堆叠、压合而成。它的基本结构就像一个“三明治”，通常包含：

• 芯板（Core）：这是PCB的基底，通常是玻璃纤维布浸渍环氧树脂（FR-4），两面都覆有铜箔。

• 半固化片（Prepreg）：一种未完全固化的绝缘材料，在压合过程中会受热软化并填充空隙，将各层粘合在一起。

• 铜箔层（Copper Foil）：用于形成电路走线、焊盘等。

• 阻焊层（Solder Mask）：覆盖在铜箔上，保护电路并防止焊接短路。

• 字符层（Silkscreen）：用于印刷元件标识、型号等信息。

为了确保PCB的电气性能（如阻抗匹配、信号完整性）和机械稳定性，每一层材料的厚度都至关重要。例如，绝缘介质层的厚度会直接影响电路的特性阻抗，如果厚度不均，信号在传输过程中就可能失真。铜箔的厚度则关系到电流承载能力。因此，对这些微米级的层间厚度进行高精度、非接触式测量，是PCB制造过程中的关键质量控制环节。

2. 多层PCB相关技术标准简介

多层PCB的质量标准通常会涵盖多个检测参数，确保其功能性和可靠性。针对层间厚度，主要关注以下几个方面：

• 总厚度（Total Thickness）：指PCB板从最上面到最下面的整体厚度。它的评价方法通常是多点测量后取平均值或最大/最小值，确保在设计公差范围内。

• 介电层厚度（Dielectric Layer Thickness）：特指铜层之间绝缘介质（如半固化片、芯板）的厚度。这对于控制特性阻抗和防止层间短路至关重要。评价方法会涉及对不同介电层厚度的独立测量和计算。

• 铜箔厚度（Copper Foil Thickness）：导电层的实际厚度，影响电流承载能力和信号衰减。评价方法是测量各层铜箔的平均厚度及均匀性。

• 分层（Delamination）：指PCB内部层间出现的分离或剥离，会严重影响电气性能和机械强度。虽然不是厚度本身，但其发生往往与层间粘合质量和材料厚度均匀性有关。通过观察是否存在异常的空隙来评估。

• 空洞与气泡（Voids and Bubbles）：在介质层或焊点中可能存在的缺陷，会降低绝缘性能或焊点可靠性。

这些参数的准确监测和评价，能有效识别潜在的制造缺陷，确保最终产品的质量符合设计要求和行业标准。

3. 实时监测/检测技术方法

实现多层PCB板层间厚度的微米级非接触式测量，市面上存在多种技术方案，每种都有其独特的工作原理、优势和局限性。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 光谱共焦测量技术

光谱共焦测量技术是利用光的色散效应来确定物体表面或多层结构深度的。一道包含不同波长的光束通过一个特殊的镜头后，不同波长的光会在不同的深度精确聚焦。当光线照射到PCB表面或其内部不同介质层时，只有处于焦点位置的特定波长光才能被有效地反射回传感器。通过检测是哪种波长的光反射回来最强，就能知道被测点到传感器的距离。

对于多层PCB的层间厚度测量，光谱共焦传感器通过发射宽光谱光束，当光束穿透透明或半透明的介质层（如PCB的树脂层、阻焊层）时，会在每个界面发生反射。传感器会捕捉到来自不同界面的反射光信号。由于不同波长的光具有不同的焦点位置，系统可以区分这些反射信号的深度。例如，如果PCB有三层，传感器会接收到三个不同深度的反射峰值。通过测量这些峰值之间的距离，并结合材料的折射率（即使未知，某些高级系统也能直接计算），就可以得到精确的层间物理厚度。

其核心物理基础是色散效应（Chromatic Dispersion）和共焦原理（Confocal Principle）。色散效应是指不同波长的光在通过光学系统时会具有不同的焦距。共焦原理则利用点光源、探测孔径和样品在焦点处共轭，有效抑制非焦点光，从而实现高轴向分辨率。

核心性能参数典型范围：

• 分辨率：通常在纳米级到亚微米级（例如，1nm - 0.1μm）。

• 精度：可达亚微米级（例如，±0.01μm）。

• 测量量程：从几十微米到几毫米不等。

• 光斑尺寸：最小可达几微米，保证了对微小特征的测量能力。

• 厚度测量能力：可测量薄至几微米到几毫米的层厚。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 非接触式：避免损伤PCB表面或内部结构。

  • 高精度：提供微米甚至纳米级的测量精度和分辨率。

  • 多层测量：能够一次性测量多层透明或半透明材料的层间厚度，这是其在PCB层间测量上的显著优势。

  • 材料适应性广：可测量金属、陶瓷、玻璃等多种材质，包括镜面和复杂曲面。

  • 无需已知折射率：部分高级系统可在不知晓材料折射率的情况下直接测量厚度。

• 缺点：

  • 受透明度影响：对于不透明材料的内部层厚测量有限制。

  • 测量范围相对较小：单次测量量程通常不如激光三角法大。

  • 对倾角敏感：虽然有倾角补偿设计，但过大的倾角仍可能影响测量。

3.1.2 工业X射线计算机断层扫描（CT）

工业X射线CT技术，就像给PCB拍“三维X光片”。它通过X射线穿透PCB，利用不同材料对X射线的吸收差异来成像。设备会360度旋转样品或X射线源，从不同角度获取一系列2D投影图像，再通过复杂的计算机算法重建出PCB内部的3D立体图像。这能让我们看到PCB内部的焊点空洞、内部裂纹、分层、导通孔缺陷，以及BGA和QFN等封装的焊点质量。

核心物理基础：X射线穿透物质时的衰减效应。当X射线穿过物质时，其强度会因吸收和散射而减弱，衰减程度与物质的密度、原子序数和厚度等因素有关。重建算法则基于Radon变换等数学原理。

核心性能参数典型范围：

• 最小体素尺寸：可低至2.5微米，实现高精度的3D内部结构观察。

• X射线源电压：最高可达225kV，适应不同密度和厚度的样品。

• 测量精度：可达亚微米级。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 无损检测：能够完全无损地观察PCB内部所有结构。

  • 三维视图：提供全面的内部3D信息，便于缺陷分析。

  • 擅长检测内部缺陷：如焊点空洞、分层、内部断裂等，这是其他表面测量技术无法比拟的。

• 缺点：

  • 成本高昂：设备投资和运营成本较高。

  • 测量速度慢：CT扫描和重建过程耗时，不适合高速在线批量检测。

  • 体积庞大：设备通常较大，需要专门的场地。

  • 对层间厚度直接量化不如光谱共焦：虽然能看到分层，但要精确到微米级量化层间介质厚度，需要复杂的图像处理，且精度可能受体素尺寸限制。

3.1.3 白光干涉测量技术

白光干涉测量技术利用的是光的波动特性，是一种超高精度的表面形貌测量方法。它将一束宽谱带白光分成两束，一束照射到待测PCB表面，另一束照射到内部的参考镜。当这两束光从不同深度反射回来并重新汇合时，如果它们的光程差在极小的范围内，就会产生干涉条纹。通过轴向移动物镜并分析这些干涉条纹的变化（调制深度和相位），系统能够以极高的精度重建出PCB表面的3D形貌、粗糙度和薄膜厚度。

核心物理基础：迈克尔逊干涉仪原理和白光干涉原理。白光干涉要求两束光的干涉发生在光程差为零或接近零的区域，通过寻找最大干涉条纹对比度位置来确定高度。

核心性能参数典型范围：

• 垂直分辨率：可达到亚纳米级（如0.01nm），是目前最高的表面垂直分辨率之一。

• 横向分辨率：取决于物镜，可达亚微米级。

• 测量范围：Z轴测量范围通常为数毫米。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 极高垂直分辨率：能够检测纳米级的表面微观形貌和粗糙度。

  • 非接触：避免对样品造成损伤。

  • 测量精度高：适用于焊盘平整度、薄膜厚度（表面）、字符高度等微观尺寸测量。

• 缺点：

  • 仅限于表面测量：无法穿透表面检测内部层间厚度。

  • 对环境要求高：对振动和环境温度变化非常敏感。

  • 测量速度相对较慢：不适合大面积、高速的在线检测。

  • 视野范围有限：通常一次只能测量较小区域。

3.1.4 激光三角测量技术

激光三角测量技术是一种常见的非接触式距离测量方法。它的工作原理是传感器向被测PCB表面投射一条激光线（或一个激光点）。一个高分辨率的CMOS相机以特定角度观察这条激光线在物体表面形成的像。当PCB表面高度发生变化时，相机捕捉到的激光线在图像传感器上的位置也会发生相应的位移。通过简单的几何三角关系，系统就能实时计算出该点的精确高度。通过快速扫描，可以重建出PCB表面的3D轮廓数据，包括高度、平整度、翘曲、孔径、元件位置等。

核心物理基础：三角测量原理。传感器发出的激光束与接收器（相机）之间形成一个固定基线，当激光束照射到不同高度的表面时，其反射光在接收器上的成像点位置会发生变化，通过简单的三角函数关系即可计算出目标点的高度。简化的距离计算公式可以表示为：H = L * tan(theta)其中，H 是高度变化，L 是传感器基线，theta 是激光入射角或反射角的变化。

核心性能参数典型范围：

• Z轴测量范围：通常为数毫米至数十毫米。

• Z轴分辨率：可达微米级。

• 测量速度：高达数kHz，可实现高速在线扫描。

• 横向分辨率（X轴/Y轴）：可达数微米至数十微米。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 测量速度快：非常适合在线、高速的批量检测。

  • 一体化智能传感器：许多产品集成了激光、相机和处理功能，易于集成到自动化产线中。

  • 适用于表面形貌：对PCB的尺寸、翘曲、平整度、元件贴装高度、焊膏体积等表面特征检测效果好。

• 缺点：

  • 仅限表面测量：无法穿透PCB内部，因此不能直接测量层间厚度。

  • 受表面特性影响：光泽度、颜色、粗糙度等表面特性会影响测量结果和精度。

  • 存在阴影效应：在陡峭的边缘或深孔处可能产生测量盲区。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们选择几款代表不同测量技术的主流品牌进行对比，以展现各自在PCB检测领域的特点。

• 日本思瑞迪（3D光学检测）

  • 采用技术：3D光学检测，结合线扫描和3D成像算法，捕获PCB板和元器件的完整3D形状数据。通过激光和相移技术投射图案并捕捉变形图案，重建高精度3D点云。

  • 核心参数：

    • 检测精度：可兼容01005 (0.4x0.2mm) 及0201 (0.6x0.3mm) 尺寸的微小元件。

    • 3D分辨率：1微米高度分辨率，横向分辨率通常为10-25微米。

  • 应用特点与优势：日本思瑞迪的设备主要用于SMT生产线的在线全自动检测，专注于焊点、元器件本体、引脚的体积、高度、共面性、翘曲、偏移等多种参数测量和缺陷检测。其优势在于高速、高精度、高可靠性，尤其擅长对复杂焊点和微小元器件的缺陷检测，有效减少阴影效应。

• 德国蔡司（工业X射线计算机断层扫描）

  • 采用技术：工业X射线计算机断层扫描（CT），通过X射线穿透PCB并进行3D重建，无损观察内部结构。

  • 核心参数：

    • 最大检测件尺寸：直径300mm，高度300mm。

    • 最小体素尺寸：低至约2.5微米。

    • X射线源电压：最高225kV。

  • 应用特点与优势：德国蔡司在X射线技术方面具有领先优势，其CT系统提供卓越的图像质量和高精度3D测量能力。特别适用于复杂、高密度PCB板的无损内部缺陷分析和质量验证，对于BGA、QFN等封装的焊点空洞率、分层等隐蔽性缺陷具有独特优势。多用于研发、失效分析和质量控制，而非产线上的实时层间厚度测量。

• 英国泰勒霍布森（白光干涉测量）

  • 采用技术：白光干涉测量，通过发射宽谱带白光并分析干涉条纹，高精度重建PCB表面的3D形貌和粗糙度。

  • 核心参数：

    • 垂直分辨率：亚纳米级（如0.01nm）。

    • 横向分辨率：可达亚微米级。

    • 测量范围：Z轴测量范围可达数毫米。

  • 应用特点与优势：英国泰勒霍布森在超精密表面计量领域技术深厚，其白光干涉仪提供极高的垂直分辨率和精度。主要用于对PCB板表面的微观形貌、粗糙度、薄膜厚度（如铜厚、焊膏厚度）、焊盘平整度以及细微缺陷进行精确评估。对于确保高频高速PCB板的信号完整性和可靠性至关重要，是研发和质量控制实验室的理想选择，但不能测量内部层厚。

• 加拿大格拉布勒（激光三角测量）

  • 采用技术：激光三角测量，传感器向PCB表面投射激光线，通过CMOS相机捕捉散射图像，利用三角测量原理计算3D轮廓数据。

  • 核心参数：

    • 测量范围 (Z轴)：通常为数毫米至数十毫米（如8-15mm）。

    • 分辨率 (Z轴)：可达微米级（如0.5微米）。

    • 测量速度：高达数kHz（如5kHz）。

    • 横向分辨率 (X轴/Y轴)：可达数微米至数十微米（如6微米）。

  • 应用特点与优势：加拿大格拉布勒的Gocator系列提供高速、高精度、一体化的智能3D传感器解决方案。它集成了激光、相机和处理功能，直接输出3D测量结果，易于集成到在线自动化检测系统中。特别适用于PCB板的尺寸、翘曲、平整度、元件贴装高度、焊膏体积等在线批量检测，具有强大的适应性和灵活性。与光谱共焦不同，它主要测量表面形貌，不适用于测量内部层厚。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在选择用于PCB多层板层间厚度测量的设备或传感器时，需要综合考量多项关键技术指标：

• 分辨率（Resolution）：

  • 实际意义：指传感器能够检测到的最小高度或厚度变化。

  • 对测量效果的影响：分辨率越高，能捕捉到的细节越精细，对于微米级甚至纳米级的层厚测量至关重要。如果分辨率不足，可能无法发现微小的层厚不均。

  • 选型建议：对于微米级层间厚度测量，应选择亚微米级甚至纳米级分辨率的传感器，例如光谱共焦传感器。

• 精度（Accuracy）：

  • 实际意义：测量结果与真实值之间的符合程度，通常表示为误差范围。

  • 对测量效果的影响：精度直接决定了测量结果的可靠性。高精度意味着测量值更接近实际值，能更好地满足严格的质量标准。

  • 选型建议：选择精度指标与PCB设计公差相匹配的传感器。

• 重复性（Repeatability）：

  • 实际意义：在相同条件下，对同一被测点进行多次测量，结果一致的程度。

  • 对测量效果的影响：重复性是衡量传感器稳定性和可靠性的关键指标。重复性差会导致测量结果波动大，无法进行有效的质量控制。

  • 选型建议：高重复性对于生产线上的连续监测尤为重要，确保每一次测量都是可信赖的。

• 测量量程（Measurement Range）：

  • 实际意义：传感器能够有效测量的高度或厚度范围。

  • 对测量效果的影响：量程太小可能无法覆盖PCB的整体厚度或大范围的厚度变化；量程过大则可能牺牲分辨率和精度。

  • 选型建议：根据PCB板的总厚度和单层厚度范围选择合适的量程。

• 光斑尺寸（Spot Size）：

  • 实际意义：传感器测量光束在被测物上的投影直径。

  • 对测量效果的影响：光斑尺寸越小，能够测量的细节越微小，尤其是在测量PCB上细小的线路、焊盘或深孔内部时。

  • 选型建议：对于PCB的微小特征，应选择光斑尺寸小的传感器。

• 采样频率（Sampling Frequency）：

  • 实际意义：传感器每秒钟采集数据的次数。

  • 对测量效果的影响：高采样频率意味着更快的测量速度和更高的数据密度，尤其适用于在线快速扫描或对高速移动物体进行测量。

  • 选型建议：如果需要在线快速检测或对整个PCB板进行扫描，高采样频率的传感器能大幅提高效率。

• 多层测量能力：

  • 实际意义：传感器单次测量可以识别并区分的透明或半透明介质层的数量。

  • 对测量效果的影响：这是针对多层PCB层间厚度测量的核心能力。如果传感器只能测量表面，则无法满足需求。

  • 选型建议：必须选择具备多层测量能力的传感器，如光谱共焦传感器，能够一次识别并测量多层介质的厚度。

• 材质适应性：

  • 实际意义：传感器能够稳定测量不同材质表面的能力，包括金属、陶瓷、玻璃、镜面、透明材料等。

  • 对测量效果的影响：PCB板包含铜、树脂、阻焊油墨等多种材料，良好的材质适应性确保了测量的通用性。

  • 选型建议：选择对多种材质都表现稳定的传感器，特别要关注其对透明和半透明介质的测量能力。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际使用非接触式传感器测量多层PCB板层间厚度时，可能会遇到一些挑战：

1. 问题：PCB表面反光或吸光特性不均

   • 原因：PCB表面有铜层、阻焊层（颜色各异）、字符层，这些不同材料和涂层可能导致局部反光率差异大，或某些深色区域吸光。这会影响测量光斑的信号强度和稳定性。

   • 影响：导致测量数据不稳定，甚至无法获取有效数据，降低测量精度和可靠性。

   • 解决方案：

     • 调整测量参数：适当调整传感器光强、曝光时间或增益设置。

     • 选择具备高动态范围的传感器：能处理从镜面到漫反射表面的宽泛光信号。

2. 问题：PCB板翘曲或倾斜

   • 原因：PCB在制造和运输过程中可能发生轻微翘曲，或者在放置时未能完全水平。

   • 影响：当传感器光束垂直于板面时，翘曲或倾斜会导致光斑偏离焦点，影响测量精度甚至导致测量失败。

   • 解决方案：

     • 采用大倾角测量能力的传感器：

     • 增加测量点位：通过多点扫描，结合软件算法进行平面度拟合和补偿。

     • 使用夹具或真空吸盘：在测量前将PCB板固定平整。

3. 问题：环境振动和温度变化

   • 原因：生产现场可能存在机器振动，或环境温度波动。

   • 影响：振动会导致传感器与PCB之间的相对距离瞬时变化，引入测量误差。温度变化则可能影响传感器本身的光学性能或PCB材料的热胀冷缩，进而影响测量结果的稳定性。

   • 解决方案：

     • 安装防振平台：将传感器和PCB放置在隔振台上，减少外部振动的影响。

     • 控制环境温湿度：在恒温恒湿的洁净环境中进行高精度测量。

     • 传感器自带温度补偿：选择具备温度补偿功能的传感器，减少环境温度波动带来的影响。

4. 问题：多层结构复杂，介质层数多或厚度极薄

   • 原因：现代PCB设计越来越集成化，层数增多，单层介质厚度可能低至几微米。

   • 影响：传感器可能难以区分相邻的薄层，或在层数过多时无法全部识别。

   • 解决方案：

     • 选择多层识别能力强的传感器：

     • 高分辨率和最小可测厚度：确保传感器具备足够的分辨率和能测量极薄层的能力。

     • 优化测量参数：根据不同介质层的光学特性，调整测量光路和信号处理算法。

4. 应用案例分享

• 3C电子产品：在智能手机的生产中，多层PCB是核心组件。光谱共焦传感器可用于测量手机摄像头模块内部多层玻璃镜片的厚度，确保成像质量；也可检测电子板上漆膜的高度和均匀性，以及多层复合材料的层间厚度，确保产品可靠性。

• 半导体制造：在晶圆制造过程中，晶圆的整体厚度、平整度以及表面微结构（如沟槽深度、多层介质薄膜厚度）的精确测量至关重要。光谱共焦传感器可以提供纳米级精度的数据，用于控制工艺参数。

• 光学镜片：高精度光学镜片在生产中对厚度、平面度、弧高有严格要求。光谱共焦传感器能非接触、高精度地测量镜片的这些参数，尤其适合蓝玻璃等精密光学元件的质量控制。

• 新能源电池：在锂电池的制造中，电极材料（如铜箔、石墨膜）的厚度一致性直接影响电池的性能和寿命。光谱共焦传感器可用于在线监测锂电池封边厚度、极片涂层厚度，确保生产过程中的精度和均匀性。