PCB厚密板线路检查LED光源系统研究

【导读】随着PCB技术的发展，PCB板呈现出线条更细、线距更小更高、高度差更加明显的3大发展趋势，并且该趋势在最近5年得到了更加明显的推动与体现；另外，针对PCB行业的仪器发展在国内、外均处于滞后的局面，其中最主要的原因是受限于光源技术的发展，如果光源不能有效地实现对所关注目标的照明及信息提取，后端的测量技术，包括图像处理算法技术应用、精密机电技术定位等均受到极大的限制。PCB的工艺检测能力提升直接关系到国内、外电子行业及其他行业电子产品的实际能力以及长期的发展进步。相关阅读：中国成为世界PCB成长性最好国家

以PCB板实物为直接研究对象，采用实物、光源照明、图像三者相结合的对比研究方法，除了能够有效地获得高图像质量，还可以将实际物体测试特征反馈到光源光学设计的过程当中，因此，在光源设计过程中，可以始终保持对测量精度的有效控制。

一、LED光源系统基本理论

1、厚密板光源设计难点

在PCB行业的发展中，目前存在以下3大趋势，即线条更细、线距更小密度更高、高度差更加明显。本文使用的厚密板即是该趋势的集中体现。普通光源应用在线距大、厚度小的PCB上的光线路径。普通光源应用在线距小、厚度大的PCB上的光线路径。

普通光源在应用于线距大厚度小的PCB上时可以将基材、线路底部和线路顶部都取得照明，且对比度良好。对PCB的实际尺寸有着良好的体现。而应用于厚密板时普通光源由于光线角度小，极易被厚密的线路遮挡。致使线路和基材没有良好的肉眼可分辨的对比度和亮度。致使进一步的基于图像处理的测量变得非常困难。可见，厚密板的发展对光源照射造成的问题用普通光源是无法解决的。

2、基于定角度设计的适配环形光源原理

通过前面的分析可以看出，要想解决厚密板的光源照射问题，同时能够保持精度的稳定与提升。必须基于厚密板的几何和光学特征，有效地解决入射角度选择以及适合应用对象的环形光源参数配置。适配环形光源由内圈外壳／外圈外壳／电路板／LED／散射板组成。内外圈外壳用于固定整个光源和内部部件。柔性电路板上面有串并联的线路为LED供电。而作为发光器件，LED是近似的点光源，发出的光线方向性很好，容易照成高光，而形成高光的区域会由于CCD的电特性影响相邻像素的输出，进而影响测量精度。使用的光源前部加装1块散射板用于将光线亮度均匀化。

二、实验结果与讨论

1、普通光源照射所造成的伪图像误差

目前的普通光源摄取的图像和真实的截面图有明显的边缘偏差，在2X的倍率下，1像素对应的物面尺寸为1.61μ m。伪图像边缘造成的线宽差别超过3像素。使得系统准确度大为降低。该伪图像边缘产生的原因是由于普通光源光线照射角度过小。被厚密线路遮挡大部分光线后，基材和下线宽的亮度和颜色非常接近。而一般的线宽测试中，并没有将该偏差计入测量结果。致使测量值产生一个固有方向的系统误差，也就是说，如果该误差不能被消除，所测得的数据不是真实PCB的线路特征的反映。而该误差并不能通过改变图像的清晰程度和对比度消除，只能依据PCB厚密线路的特点去改变光源的设计来消除或减小该误差。

2、厚密线条的几何特征对于光源设计的影响

线条高度／线距比例已接近1／2。即，则角度为27°。当使用厚密板作为线路检查的对象时，所需的光源光线入射角度比普通光源所能提供的光线角度大得多。要想得到清晰且对比度良好的图像，必须提高光源的角度到某个合适的值，同时综合考虑基材和线路的光学特性。

3、基于以上条件，本文设计了专用于PCB厚密板的适配环形光源，为考核光源的实际效果，将光源和镜头对准PCB上同一区域。镜头倍率也调节至相等。使用普通光源仅仅能将上线宽附近的法线方向接近水平45度的线路照亮，两根横向亮线。由于厚密线路对光线的强烈遮挡作用，基材部分亮度非常低且接近下线宽亮度，肉跟几乎不可分辨其差别。而由于线路表面的反射接近镜面反射，导致到达线路表面的光线不能进入镜头的收光光锥，上线宽以内亮度也非常低。图像没有将PCB线路信息有效记录，分析下线宽的精度很低且上线宽有固定系统误差。使用适配光源的图像，均匀度和清晰度良好。

三、结论

为了解决现有普通光源对于PCB厚密线路检查的问题，对普通低角度光源的照明伪图像误差进行分析，讨论了厚密线条的几何和光学特征对光源设计的影响。提出并设计一种基于定角度设计的PCB厚密板线路检查专用光源。实验表明，该光源的打光效果区别于普通的暗场低角度环形光源，可以较好地从系统前端解决目前存在于厚密板PCB线路检测中的难题。实现了对所关注目标的照明和准确的信息提取。基材／过渡区／上线宽的图像均匀度高，对比度良好。对后端图像处理和信息提取的意义非常大。可以广泛应用于以线宽检测机为代表的PCB检测设备中。