CCL/銅箔基板厚度的測量

銅箔基板質(zhì)量隨著電子系統(tǒng)輕薄短小、高功能、高密度化及高可靠性的趨勢，要求愈趨嚴(yán)格。銅箔基板制造，從原物料玻璃纖維布進(jìn)料檢驗(yàn)規(guī)格，膠片烘烤條件、膠含量、膠流量、膠化時間、轉(zhuǎn)化程度與儲存條件等，基板壓合條件的設(shè)定，均會影響銅箔基板厚度質(zhì)量，厚度質(zhì)量的管控，需檢討所有制程著手，在制程能力方面做一定程度的提升，非一味挑選，增加成本支出。目前銅箔基板制造廠已經(jīng)漸漸改用非接觸式雷射測厚全檢取代以人工用分厘卡抽驗(yàn)厚度，系統(tǒng)設(shè)計各有特色，雷射測厚儀傳感器機(jī)構(gòu)大多需要配合現(xiàn)場設(shè)計施工，測試方法各異，維護(hù)以及增加新功能都需透過設(shè)備制造廠，***德聯(lián)高科之雷射測厚儀自架構(gòu)設(shè)計起均有參加與主導(dǎo)，更擁有軟件所有權(quán)，故后來都可以自行增加統(tǒng)計、警告及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能，現(xiàn)在吾人將此實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)分享出來，試著分析其架構(gòu)與故障發(fā)生原因。

關(guān)鍵詞：統(tǒng)計制程管制，制程準(zhǔn)確度，制程能力指數(shù)，雷射測厚儀，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換

1. 緣起

銅箔基板提供電子零組件在安裝與互連的支撐體，隨著電子系統(tǒng)輕薄短小、高功能、高密度化、及高可靠性的趨勢，銅箔基板質(zhì)量將直接影響電子產(chǎn)品的信賴度。

銅箔基板之制造在厚度的質(zhì)量控管就有許多要注意，大致說來有膠片半成品的品管以及壓合條件的配合，因此厚度結(jié)果是所有制程控制的綜合結(jié)果表現(xiàn)。

以往PCB 業(yè)者對于基板厚度僅要求達(dá)到IPC-4101[1] CLASS B的水平，但自2000 年開始即要求CLASS C或更高的需求，以因應(yīng)印刷電路板高層數(shù)、高密度的市場趨勢，然而這些要求PCB 業(yè)者還是覺得不夠，開始引用統(tǒng)計制程管制(SPC,Statistical Process Control)[2]，最常用到的為制程準(zhǔn)確度(Ca, Capability of accuracy，愈趨近于0 愈好)及制程能力指數(shù)(Cpk，數(shù)字愈高愈好)。其計算公式為：

Ca = (實(shí)測平均值-規(guī)格中心值)/規(guī)格公差之半* 100%
Cpk = Min(規(guī)格上限-平均值, 平均值-規(guī)格下限) / 3 個標(biāo)準(zhǔn)偏差

統(tǒng)計制程管制的引用，不單是要求產(chǎn)品在規(guī)格界限內(nèi)，更要求集中在規(guī)格中心值，然而這個方法主要用于廠內(nèi)制程改善，若一味要求Cpk 達(dá)到高水平，而不管所制定的規(guī)格上下限，可能會鬧出笑話，或者將產(chǎn)品全數(shù)重新選別，增加成本支出。例如6mil 1/1 之銅箔基板，假設(shè)含銅厚度8.5mil 為規(guī)格中值而且厚度分布曲線屬于常態(tài)分布， 實(shí)測平均值是8.5 (Ca=0) ， 厚度分布在8.08~8.92， Class C 的規(guī)格上下限，Cpk 可達(dá)1.67，但在Class D 的規(guī)格則下降至1.33。請參考表一及圖一。

因此Cpk 和規(guī)格需一起經(jīng)由供貨商及廠商共同商定。

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表一. 規(guī)格上下限與Cpk

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圖一. 規(guī)格上下限與Cpk 關(guān)系

Cpk 是一整批數(shù)據(jù)算出，若Cpk 不合格，理論上是整批退貨，直覺上覺得不合理，因?yàn)槎忌a(chǎn)合乎規(guī)格的產(chǎn)品怎能退呢。因此可以了解就算制程上可以都生產(chǎn)合格的產(chǎn)品，但可能因?yàn)橐恍┲瞥滩环€(wěn)定或平均值不在規(guī)格中心值，而導(dǎo)致Cpk 不合格，顯示制程還有改進(jìn)空間。為了Cpk能合格，因此可以采取篩檢去掉接近規(guī)格上下限產(chǎn)品，以求得之后較高Cpk，但會降低良率，在針對良率制定獎金的工廠，可能會造成現(xiàn)場員工的反彈。

2. 方法

早期以人工方式用分厘卡(micrometer)量測板邊，但會有痕跡，難以全檢，因此采用非接觸式之雷射位移傳感器做成的雷射測厚儀。

分級需按照IPC 規(guī)定，分級方法可采用標(biāo)簽機(jī)的方式，Class A 用紅卷標(biāo)，Class B 用藍(lán)色卷標(biāo)，若客戶有更嚴(yán)格要求則可做分站處理，分為四等級四個棧板。以圖二為在線測厚儀測試流程示意圖[3]。

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圖二. 測厚流程

3. 架構(gòu)

利用雷射位移傳感器所發(fā)展的測厚儀為光機(jī)電整合， 光設(shè)計部份已經(jīng)設(shè)計為雷射位移傳感器獨(dú)立組件， 因而只需做機(jī)電整合，再搭配軟件擴(kuò)充功能。圖三為測厚儀架構(gòu)流程。

各部份零組件的選擇以及各組件的連接極為重要，否則誤差與不穩(wěn)定必隨著而來。

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圖三. 測厚儀架構(gòu) (ADC:模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，DI:數(shù)字訊號輸入，D數(shù)字訊號輸出)

3.1 位移傳感器

位移傳感器的選擇必須考慮銅箔基板特性、可容許公差分辨率，通?？杀容^其量測距離、分辨率、線性度與取樣周期。量測距離需包含所有待測銅箔基板之厚度；分辨率需配合傳感器型錄批注，相同分辨率其取樣數(shù)少，表示比較好；線性度愈小愈好，例如量測距離為+/-5mm，線性度為1% F.S. & 0.1% F.S.，最大誤差分別為0.1mm &0.01mm (5mm*2*0.1%)；取樣周期若較慢，波動會較小，如圖四所示。

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圖四. 分辨率示意

3.2 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換卡

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換卡(ADC card)的選擇，首重分辨率，以目前薄板占多數(shù)的市場，必須使用到16bit，12 bit 在薄板的容許公差是不足夠的。如表二：

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表二. 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換卡之分辨率

接下來要考慮輸入信道與輸入電壓范圍，一般業(yè)界設(shè)計大多用三個剖面，需要六個位移傳感器，也就是六個輸入信道，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換卡大多有多達(dá)16 個通道；位移傳感器輸出訊號有兩大類一為電壓，另一為電流，一般范圍分別為 -5V ~+5V & 4 ~ 20 mA，電流可用適當(dāng)電阻轉(zhuǎn)換為電壓(+/-10V 內(nèi))，以便輸入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換卡。

3.3 數(shù)位卡

數(shù)字就是0 與1，數(shù)字卡(Digital I/O card)只分低電位與高電位，基本上0V 代表低電位也就是0，5V 代表高電位即為1，數(shù)字訊號輸入(DI)包含計數(shù)器、光電開關(guān)等，可用于通知銅箔基板通過與儀器周邊狀況的顯示，數(shù)字訊號輸出(DO)用在控制或警報，控制包含質(zhì)量分析結(jié)果顯示，表現(xiàn)方法可能是計算機(jī)屏幕顯示OK/NG、警報或分級(連回程序邏輯控制器, PLC)。

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換卡與數(shù)字卡已經(jīng)合而為一，稱為多功能卡(Multifunction I/O card)，除非數(shù)字訊號太多，否則一張卡即可。

3.4 繼電器

數(shù)字輸出訊號無法直接到工廠設(shè)備，例如PLC、電磁閥、警鈴等，主因這些設(shè)備需要12、24V 才能驅(qū)動，一般數(shù)字卡所輸出電壓只有5V，因此需要繼電器，繼電器的選擇要注意其使用頻率、反應(yīng)時間，磁簧開關(guān)已經(jīng)足夠，但連續(xù)快速使用，會導(dǎo)致彈性疲乏，反應(yīng)時間變慢，可改用電子式繼電器，不過在某些狀況有壓降的情形，但這是另外一項(xiàng)課題。

3.5 計算機(jī)

計算機(jī)已經(jīng)相當(dāng)普遍，但一般桌面計算機(jī)不適合用在現(xiàn)場，必須考慮操作人員的素質(zhì)與環(huán)境，最好采用工業(yè)級計算機(jī)，比較可以容忍較大的濕度與溫度范圍，以及一年不停的運(yùn)轉(zhuǎn)。