摘要
PCB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(shì)，要求愈趨嚴(yán)格。PCB
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(shí)間、轉(zhuǎn)化程度與儲(chǔ)存條件等，基板壓合條件的設(shè)定，均會(huì)影響PCB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PCB銅箔基板
制造廠已經(jīng)漸漸改用非接觸式雷射測(cè)厚全檢取代以人工用分厘卡抽驗(yàn)厚度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)各有特色，雷射測(cè)厚儀傳感器機(jī)構(gòu)大多需要配合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)施工，測(cè)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，臺(tái)灣德聯(lián)高科之雷射測(cè)厚儀自架構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)、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。
1. 緣起
PCB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(shì)，PCB銅箔基板質(zhì)量將直接影響電子產(chǎn)品的信賴度。
PCB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(duì)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(chǎng)趨勢(shì)，然而這些要求PCB 業(yè)者還是覺得不夠，開始引用統(tǒng)計(jì)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(jì)算公式為：
Ca = (實(shí)測(cè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差
統(tǒng)計(jì)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(gè)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(huì)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PCB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(cè)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。
因此Cpk 和規(guī)格需一起經(jīng)由供貨商及廠商共同商定。
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(huì)降低良率，在針對(duì)良率制定獎(jiǎng)金的工廠，可能會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)員工的反彈。
2. 方法
早期以人工方式用分厘卡(micrometer)量測(cè)板邊，但會(huì)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(cè)厚儀。
分級(jí)需按照IPC 規(guī)定，分級(jí)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(jí)四個(gè)棧板。以圖二為在線測(cè)厚儀測(cè)試流程示意圖[3]。
3. 架構(gòu)
利用雷射位移傳感器所發(fā)展的測(cè)厚儀為光機(jī)電整合， 光設(shè)計(jì)部份已經(jīng)設(shè)計(jì)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(cè)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。
3.1 位移傳感器
位移傳感器的選擇必須考慮PCB銅箔基板特性、可容許公差分辨率，通常可比較其量測(cè)距離、分辨率、線性度與取樣周期。量測(cè)距離需包含所有待測(cè)PCB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(cè)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(dòng)會(huì)較小。
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(chǎng)，必須使用到16bit，12 bit 在薄板的容許公差是不足夠的。
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(jì)大多用三個(gè)剖面，需要六個(gè)位移傳感器，也就是六個(gè)輸入信道，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換卡大多有多達(dá)16 個(gè)通道；位移傳感器輸出訊號(hào)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(hào)輸入(DI)包含計(jì)數(shù)器、光電開關(guān)等，可用于通知PCB銅箔基板通過與儀器周邊狀況的顯示，數(shù)字訊號(hào)輸出(DO)用在控制或警報(bào)，控制包含質(zhì)量分析結(jié)果顯示，表現(xiàn)方法可能是計(jì)算機(jī)屏幕顯示OK/NG、警報(bào)或分級(jí)(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(hào)太多，否則一張卡即可。
3.4 繼電器
數(shù)字輸出訊號(hào)無(wú)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(dòng)，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(shí)間，磁簧開關(guān)已經(jīng)足夠，但連續(xù)快速使用，會(huì)導(dǎo)致彈性疲乏，反應(yīng)時(shí)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(jì)算機(jī)
計(jì)算機(jī)已經(jīng)相當(dāng)普遍，但一般桌面計(jì)算機(jī)不適合用在現(xiàn)場(chǎng)，必須考慮操作人員的素質(zhì)與環(huán)境，最好采用工業(yè)級(jí)計(jì)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)。
3.6 軟件
雷射測(cè)厚儀主畫面，可直接將三個(gè)剖面做完整的顯示，操作人員基本上只要輸入鍋號(hào)及料號(hào)，軟件會(huì)檢查輸入是否正確，并依據(jù)料號(hào)之編碼原則計(jì)算所有等級(jí)上下限，以避免人為錯(cuò)誤，主畫面也顯示分級(jí)設(shè)備狀況并適時(shí)提醒，也可計(jì)算上一鍋之Cp (Capability of precision, 制程精密度)、Cpk 與平均值，另外操作人員需在工單上注明計(jì)算機(jī)上顯示Class A & B 之?dāng)?shù)量給品管檢驗(yàn)人員參考，雙重確認(rèn)厚度不良品不會(huì)流到客戶手中。
此外，除將結(jié)果存盤本機(jī)計(jì)算機(jī)，也透過網(wǎng)絡(luò)存盤至服務(wù)器給相關(guān)人員參考，若想在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控所有測(cè)厚儀狀態(tài)也可以辦到，目前業(yè)者測(cè)厚儀判定Class C，Cpk 小于1.33 時(shí)，自動(dòng)發(fā)出E-mail 通知相關(guān)人員。
3.7 量測(cè)位置
IPC-4101 僅規(guī)定厚度等級(jí)，沒有規(guī)定量測(cè)儀器、位置與數(shù)據(jù)數(shù)，形成各家有各家的規(guī)定。厚度數(shù)據(jù)應(yīng)是全剖面，因此要取多少點(diǎn)都可以，一張基板合理取27 點(diǎn)存檔(距板邊3, 5, 10 ,15,center, -15, -10, -5, -3 inches)，厚度30 mil 以上基板，可加測(cè)板邊1 inch(共33 點(diǎn))做分級(jí)，任何一點(diǎn)都不得超出規(guī)格，Cpk 之計(jì)算應(yīng)為27 點(diǎn)各自獨(dú)立。
3.8 校正
測(cè)厚儀不能保證免校驗(yàn)，因此要有校正的方法，一般利用標(biāo)準(zhǔn)樣品做校驗(yàn)。校正應(yīng)分機(jī)構(gòu)歸零與軟件歸零，另外每年要定期測(cè)試其重復(fù)與再現(xiàn)性。若有可能，應(yīng)做雷射位移傳感器線性度測(cè)試。
4. 理論
厚度的測(cè)試實(shí)行一段時(shí)間后，測(cè)厚設(shè)備可能因零組件老化、損壞或客戶需求，必須持續(xù)的維護(hù)與改進(jìn)，這時(shí)候一定要從理論著手，才能做異常原因判斷。
4.1 雷射位移傳感器
一般業(yè)界所使用雷射位移傳感器為三角量測(cè)系統(tǒng)，即為打出特定波長(zhǎng)雷射光，遇上物體有反射、穿透、散射等，傳感器接收此特定波長(zhǎng)散射光，由角度得到距離。
位移傳感器要轉(zhuǎn)換成厚度需要上方與下方各一個(gè)傳感器，分別得到PCB銅箔基板上方與上方傳感器距離及PCB銅箔基板下方與下方傳感器距離，與兩個(gè)感測(cè)頭距離相減得到厚度。
由于輸送帶與PCB銅箔基板散射光量不同因此位移傳感器之控制電路檢測(cè)出光束光點(diǎn)對(duì)每一像素(pixel, 有愈多像素代表硬件分辨率愈好)光量分布值，會(huì)自動(dòng)調(diào)整靈敏度以利量測(cè)，故厚度量測(cè)在板邊會(huì)有不穩(wěn)定現(xiàn)象。
雷射位移傳感器，采樣率較慢，凹陷會(huì)被忽略，而凹陷是否就是主要缺點(diǎn)。有些傳感器會(huì)給最直接的數(shù)據(jù)，也有的傳感器控制電路會(huì)以階梯式變化。
4.2 誤差
誤差的可能原因，零組件本身因素有雷射位移傳感器、模擬數(shù)字卡與聯(lián)機(jī)，外在因素有溫度與作業(yè)環(huán)境。就雷射位移傳感器與模擬數(shù)字卡做一比較，發(fā)現(xiàn)雷射位移傳感器的線性度是誤差最大來源。
噪聲是非規(guī)則性的訊號(hào)，可能由接頭、扁平電纜產(chǎn)生，訊號(hào)以電壓傳遞比用電流傳遞，噪聲的影響相對(duì)較高。噪聲之消除可用圖十一方式處理，會(huì)得到較為平緩數(shù)據(jù)。
若位移傳感器不提供這種功能，可由軟件處理，可用時(shí)間平均法、加權(quán)平均法等。
原始資料
X1, X2, X3 … Xn-1, Xn, Xn+1, …
三點(diǎn)平均
Xn = (Xn-1+Xn+Xn+1) ÷ 3
五點(diǎn)平均
Xn = (Xn-2+Xn-1+Xn+Xn+1+Xn+2) ÷ 5
加權(quán)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
若發(fā)生設(shè)備異常，在了解圖3 之測(cè)厚儀架構(gòu)后，可判斷出輸入或輸出訊號(hào)發(fā)生問題進(jìn)而檢修。例如：
1. 無(wú)厚度數(shù)據(jù)-檢查訊號(hào)輸入扁平電纜、雷射位移傳感器是否開啟、傳感器電源供應(yīng)是否正常。
2. 無(wú)法分級(jí)-檢查數(shù)字訊號(hào)輸出，供應(yīng)繼電器電壓是否異常。
5. 結(jié)論
整個(gè)PCB銅箔基板雷射測(cè)厚系統(tǒng)，包含雷射位移傳感器(光)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(機(jī))、電路、光電開關(guān)、接線(電)與軟件共同整合，每一項(xiàng)零組件都關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)好壞，如不了解架構(gòu)流程，一旦故障無(wú)法實(shí)時(shí)處置，現(xiàn)場(chǎng)人員將不信任，整個(gè)系統(tǒng)成為累贅，質(zhì)量毫無(wú)控管可言，因此要秉持戒慎恐懼的心情來應(yīng)用此項(xiàng)設(shè)備。
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