铜箔基板厚度的量测技术大全
摘要
铜箔基板质量随着电子系统轻薄短小、高功能、高密度化及高可靠性的趋势，要求愈趋严格。铜箔基板制造，从原物料玻璃纤维布进料检验规格，胶片烘烤条件、胶含量、胶流量、胶化时间、转化程度与储存条件等，基板压合条件的设定，均会影响铜箔基板厚度质量，厚度质量的管控，需检讨所有制程着手，在制程能力方面做一定程度的提升，非一味挑选，增加成本支出。目前铜箔基板制造厂已经渐渐改用非接触式雷射测厚全检取代以人工用分厘卡抽验厚度，系统设计各有特色，雷射测厚仪传感器机构大多需要配合现场设计施工，测试方法各异，维护以及增加新功能都需透过设备制造厂，***德联高科之雷射测厚仪自架构设计起均有参加与主导，更拥有软件所有权，故后来都可以自行增加统计、警告及网络监控等功能，现在吾人将此实务经验分享出来，试着分析其架构与故障发生原因。
关键词：统计制程管制，制程准确度，制程能力指数，雷射测厚仪，模拟数字转换
1. 缘起
铜箔基板提供电子零组件在安装与互连的支撑体，随着电子系统轻薄短小、高功能、高密度化、及高可靠性的趋势，铜箔基板质量将直接影响电子产品的信赖度。
铜箔基板之制造在厚度的质量控管就有许多要注意，大致说来有胶片半成品的品管以及压合条件的配合，因此厚度结果是所有制程控制的综合结果表现。
以往PCB 业者对于基板厚度仅要求达到IPC-4101[1] CLASS B的水平，但自2000 年开始即要求CLASS C或更高的需求，以因应印刷电路板高层数、高密度的市场趋势，然而这些要求PCB 业者还是觉得不够，开始引用统计制程管制(SPC,Statistical Process Control)[2]，最常用到的为制程准确度(Ca, Capability of accuracy，愈趋近于0 愈好)及制程能力指数(Cpk，数字愈高愈好)。其计算公式为：
Ca = (实测平均值-规格中心值)/规格公差之半* 100%
Cpk = Min(规格上限-平均值, 平均值-规格下限) / 3 个标准偏差
统计制程管制的引用，不单是要求产品在规格界限内，更要求集中在规格中心值，然而这个方法主要用于厂内制程改善，若一味要求Cpk 达到高水平，而不管所制定的规格上下限，可能会闹出笑话，或者将产品全数重新选别，增加成本支出。例如6mil 1/1 之铜箔基板，假设含铜厚度8.5mil 为规格中值而且厚度分布曲线属于常态分布， 实测平均值是8.5 (Ca=0) ， 厚度分布在8.08~8.92， Class C 的规格上下限，Cpk 可达1.67，但在Class D 的规格则下降至1.33。请参考表一及图一。
因此Cpk 和规格需一起经由供货商及厂商共同商定。
表一. 规格上下限与Cpk
图一. 规格上下限与Cpk 关系
Cpk 是一整批数据算出，若Cpk 不合格，理论上是整批退货，直觉上觉得不合理，因为都生产合乎规格的产品怎能退呢。因此可以了解就算制程上可以都生产合格的产品，但可能因为一些制程不稳定或平均值不在规格中心值，而导致Cpk 不合格，显示制程还有改进空间。为了Cpk能合格，因此可以采取筛检去掉接近规格上下限产品，以求得之后较高Cpk，但会降低良率，在针对良率制定奖金的工厂，可能会造成现场员工的反弹。
2. 方法
早期以人工方式用分厘卡(micrometer)量测板边，但会有痕迹，难以全检，因此采用非接触式之雷射位移传感器做成的雷射测厚仪。
分级需按照IPC 规定，分级方法可采用标签机的方式，Class A 用红卷标，Class B 用蓝色卷标，若客户有更严格要求则可做分站处理，分为四等级四个栈板。以图二为在线测厚仪测试流程示意图[3]。
图二. 测厚流程
3. 架构
利用雷射位移传感器所发展的测厚仪为光机电整合， 光设计部份已经设计为雷射位移传感器独立组件， 因而只需做机电整合，再搭配软件扩充功能。图三为测厚仪架构流程。
各部份零组件的选择以及各组件的连接极为重要，否则误差与不稳定必随着而来。
图三. 测厚仪架构 (ADC:模拟数字转换，DI:数字讯号输入，D数字讯号输出)
3.1 位移传感器
位移传感器的选择必须考虑铜箔基板特性、可容许公差分辨率，通常可比较其量测距离、分辨率、线性度与取样周期。量测距离需包含所有待测铜箔基板之厚度；分辨率需配合传感器型录批注，相同分辨率其取样数少，表示比较好；线性度愈小愈好，例如量测距离为+/-5mm，线性度为1% F.S. & 0.1% F.S.，最大误差分别为0.1mm &0.01mm (5mm*2*0.1%)；取样周期若较慢，波动会较小，如图四所示。
图四. 分辨率示意
3.2 模拟数字转换卡
模拟数字转换卡(ADC card)的选择，首重分辨率，以目前薄板占多数的市场，必须使用到16bit，12 bit 在薄板的容许公差是不足够的。如表二：
表二. 模拟数字转换卡之分辨率
接下来要考虑输入信道与输入电压范围，一般业界设计大多用三个剖面，需要六个位移传感器，也就是六个输入信道，模拟数字转换卡大多有多达16 个通道；位移传感器输出讯号有两大类一为电压，另一为电流，一般范围分别为 -5V ~+5V & 4 ~ 20 mA，电流可用适当电阻转换为电压(+/-10V 内)，以便输入模拟数字转换卡。
3.3 数位卡
数字就是0 与1，数字卡(Digital I/O card)只分低电位与高电位，基本上0V 代表低电位也就是0，5V 代表高电位即为1，数字讯号输入(DI)包含计数器、光电开关等，可用于通知铜箔基板通过与仪器周边状况的显示，数字讯号输出(DO)用在控制或警报，控制包含质量分析结果显示，表现方法可能是计算机屏幕显示OK/NG、警报或分级(连回程序逻辑控制器, PLC)。
模拟数字转换卡与数字卡已经合而为一，称为多功能卡(Multifunction I/O card)，除非数字讯号太多，否则一张卡即可。
3.4 继电器
数字输出讯号无法直接到工厂设备，例如PLC、电磁阀、警铃等，主因这些设备需要12、24V 才能驱动，一般数字卡所输出电压只有5V，因此需要继电器，继电器的选择要注意其使用频率、反应时间，磁簧开关已经足够，但连续快速使用，会导致弹性疲乏，反应时间变慢，可改用电子式继电器，不过在某些状况有压降的情形，但这是另外一项课题。
3.5 计算机
计算机已经相当普遍，但一般桌面计算机不适合用在现场，必须考虑操作人员的素质与环境，最好采用工业级计算机，比较可以容忍较大的湿度与温度范围，以及一年不停的运转。
3.6 软件
图五为雷射测厚仪主画面，可直接将三个剖面做完整的显示，操作人员基本上只要输入锅号及料号，软件会检查输入是否正确，并依据料号之编码原则计算所有等级上下限，以避免人为错误，主画面也显示分级设备状况并适时提醒，也可计算上一锅之Cp (Capability of precision, 制程精密度)、Cpk 与平均值，另外操作人员需在工单上注明计算机上显示Class A & B 之数量给品管检验人员参考，双重确认厚度不良品不会流到客户手中。
图五. 测厚仪软件主画面
此外，除将结果存盘本机计算机，也透过网络存盘至服务器给相关人员参考，若想在内部网络实时监控所有测厚仪状态也可以办到，目前业者测厚仪判定Class C，Cpk 小于1.33 时，自动发出E-mail 通知相关人员。
3.7 量测位置
IPC-4101 仅规定厚度等级，没有规定量测仪器、位置与数据数，形成各家有各家的规定。厚度数据应是全剖面，因此要取多少点都可以，一张基板合理取27 点存档(距板边3, 5, 10 ,15,center, -15, -10, -5, -3 inches)，厚度30 mil 以上基板，可加测板边1 inch(共33 点)做分级(图六)，任何一点都不得超出规格，Cpk 之计算应为27 点各自独立。
图六. 分级位置
3.8 校正
测厚仪不能保证免校验，因此要有校正的方法，一般利用标准样品做校验。校正应分机构归零与软件归零，另外每年要定期测试其重复与再现性(Gage R&R, 如图七)。若有可能，应做雷射位移传感器线性度测试。
图七. Gage R&R
4. 理论
厚度的测试实行一段时间后，测厚设备可能因零组件老化、损坏或客户需求，必须持续的维护与改进，这时候一定要从理论着手，才能做异常原因判断。
4.1 雷射位移传感器
一般业界所使用雷射位移传感器为三角量测系统，即为打出特定波长雷射光，遇上物体有反射、穿透、散射等，传感器接收此特定波长散射光，由角度得到距离，图8 为示意图。
图八. 三角量测系统示意图
位移传感器要转换成厚度需要上方与下方各一个传感器，分别得到铜箔基板上方与上方传感器距离及铜箔基板下方与下方传感器距离，与两个感测头距离相减得到厚度(图九)。
图九. 厚度取得方式
由于输送带与铜箔基板散射光量不同因此位移传感器之控制电路检测出光束光点对每一像素(pixel, 有愈多像素代表硬件分辨率愈好)光量分布值，会自动调整灵敏度以利量测(图十)，故厚度量测在板边会有不稳定现象。
图十. 传感器自动调整灵敏度
雷射位移传感器，采样率较慢，图4 之凹陷会被忽略，而凹陷是否就是主要缺点。有些传感器会给最直接的数据，也有的传感器控制电路会以阶梯式变化(图十一)。
图十一. 反应程度
4.2 误差
误差的可能原因，零组件本身因素有雷射位移传感器、模拟数字卡与联机，外在因素有温度与作业环境。就雷射位移传感器与模拟数字卡做一比较(表三)，发现雷射位移传感器的线性度是误差最大来源。
表三. 雷射位移传感器与模拟数字卡之误差
噪声是非规则性的讯号，可能由接头、扁平电缆产生，讯号以电压传递比用电流传递，噪声的影响相对较高。噪声之消除可用图十一方式处理，会得到较为平缓数据，如图十二。
图十二. 噪声去除
若位移传感器不提供这种功能，可由软件处理，可用时间平均法、加权平均法等(图十三，依据图四原始资料)。
图十三. 软件平滑化
原始资料
X1, X2, X3 … Xn-1, Xn, Xn+1, …
三点平均
Xn = (Xn-1+Xn+Xn+1) ÷ 3
五点平均
Xn = (Xn-2+Xn-1+Xn+Xn+1+Xn+2) ÷ 5
加权平均
Xn = (c*Xn-2+b*Xn-1+a*Xn+b*Xn+1+c*Xn+2) ÷(a+2b+2c)
4.3 故障排除
若发生设备异常，在了解图3 之测厚仪架构后，可判断出输入或输出讯号发生问题进而检修。例如：
1. 无厚度数据-检查讯号输入扁平电缆、雷射位移传感器是否开启、传感器电源供应是否正常。
2. 无法分级-检查数字讯号输出，供应继电器电压是否异常。
5. 结论
整个铜箔基板雷射测厚系统，包含雷射位移传感器(光)、机构设计(机)、电路、光电开关、接线(电)与软件共同整合，每一项零组件都关系到整个系统好坏，如不了解架构流程，一旦故障无法实时处置，现场人员将不信任，整个系统成为累赘，质量毫无控管可言，因此要秉持戒慎恐惧的心情来应用此项设备。
参考文献
1. IPC-4101, “Specification for base materials for rigid and multilayer printed boards,” December (1997).
2. 张国栋，「统计制程管制技术手册」，中国生产力中心 (1992)。
3. 杨长峰，「1-UP 雷射测厚程序书」，***德联高科股份有限公司 (2001)。
4. KEYENCE，「半导体及电子组件Handbook」，***基恩斯股份有限公司 (2001)。
5. MICRO-OPTRONIC, “Product datasheet,” MICROOPTRONIC (2001).
6. National Instruments, “The measurement and automation catalog 2002,” National Instruments (2002).