銅箔基板厚度的量測技術大全
?摘要
銅箔基板質量隨著電子系統輕薄短小、高功能、高密度化及高可靠性的趨勢，要求愈趨嚴格。銅箔基板制造，從原物料玻璃纖維布進料檢驗規格，膠片烘烤條件、膠含量、膠流量、膠化時間、轉化程度與儲存條件等，基板壓合條件的設定，均會影響銅箔基板厚度質量，厚度質量的管控，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厚度，系統設計各有特色，雷射測厚儀傳感器機構大多需要配合現場設計施工，測試方法各異，維護以及增加新功能都需透過設備制造廠，***德聯高科之雷射測厚儀自架構設計起均有參加與主導，更擁有軟件所有權，故后來都可以自行增加統計、警告及網絡監控等功能，現在吾人將此實務經驗分享出來，試著分析其架構與故障發生原因。
關鍵詞：統計制程管制，制程準確度，制程能力指數，雷射測厚儀，模擬數字轉換
1. 緣起
銅箔基板提供電子零組件在安裝與互連的支撐體，隨著電子系統輕薄短小、高功能、高密度化、及高可靠性的趨勢，銅箔基板質量將直接影響電子產品的信賴度。
銅箔基板之制造在厚度的質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，因此厚度結果是所有制程控制的綜合結果表現。
以往PCB 業者對于基板厚度僅要求達到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，以因應印刷電路板高層數、高密度的市場趨勢，然而這些要求PCB 業者還是覺得不夠，開始引用統計制程管制(SPC,Statistical Process Control)[2]，最常用到的為制程準確度(Ca, Capability of accuracy，愈趨近于0 愈好)及制程能力指數(Cpk，數字愈高愈好)。其計算公式為：
Ca = (實測平均值-規格中心值)/規格公差之半* 100%
Cpk = Min(規格上限-平均值, 平均值-規格下限) / 3 個標準偏差
統計制程管制的引用，不單是要求產品在規格界限內，更要求集中在規格中心值，然而這個方法主要用于廠內制程改善，若一味要求Cpk 達到高水平，而不管所制定的規格上下限，可能會鬧出笑話，或者將產品全數重新選別，增加成本支出。例如6mil 1/1 之銅箔基板，假設含銅厚度8.5mil 為規格中值而且厚度分布曲線屬于常態分布， 實測平均值是8.5 (Ca=0) ， 厚度分布在8.08~8.92， Class C 的規格上下限，Cpk 可達1.67，但在Class D 的規格則下降至1.33。請參考表一及圖一。
因此Cpk 和規格需一起經由供貨商及廠商共同商定。
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表一. 規格上下限與Cpk
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圖一. 規格上下限與Cpk 關系
Cpk 是一整批數據算出，若Cpk 不合格，理論上是整批退貨，直覺上覺得不合理，因為都生產合乎規格的產品怎能退呢。因此可以了解就算制程上可以都生產合格的產品，但可能因為一些制程不穩定或平均值不在規格中心值，而導致Cpk 不合格，顯示制程還有改進空間。為了Cpk能合格，因此可以采取篩檢去掉接近規格上下限產品，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 規定，分級方法可采用標簽機的方式，Class A 用紅卷標，Class B 用藍色卷標，若客戶有更嚴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
利用雷射位移傳感器所發展的測厚儀為光機電整合， 光設計部份已經設計為雷射位移傳感器獨立組件， 因而只需做機電整合，再搭配軟件擴充功能。圖三為測厚儀架構流程。
各部份零組件的選擇以及各組件的連接極為重要，否則誤差與不穩定必隨著而來。
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圖三. 測厚儀架構 (ADC:模擬數字轉換，DI:數字訊號輸入，D數字訊號輸出)
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，通常可比較其量測距離、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 模擬數字轉換卡
模擬數字轉換卡(ADC card)的選擇，首重分辨率，以目前薄板占多數的市場，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. 模擬數字轉換卡之分辨率
接下來要考慮輸入信道與輸入電壓范圍，一般業界設計大多用三個剖面，需要六個位移傳感器，也就是六個輸入信道，模擬數字轉換卡大多有多達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，電流可用適當電阻轉換為電壓(+/-10V 內)，以便輸入模擬數字轉換卡。
3.3 數位卡
數字就是0 與1，數字卡(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，數字訊號輸入(DI)包含計數器、光電開關等，可用于通知銅箔基板通過與儀器周邊狀況的顯示，數字訊號輸出(DO)用在控制或警報，控制包含質量分析結果顯示，表現方法可能是計算機屏幕顯示OK/NG、警報或分級(連回程序邏輯控制器, PLC)。
模擬數字轉換卡與數字卡已經合而為一，稱為多功能卡(Multifunction I/O card)，除非數字訊號太多，否則一張卡即可。
3.4 繼電器
數字輸出訊號無法直接到工廠設備，例如PLC、電磁閥、警鈴等，主因這些設備需要12、24V 才能驅動，一般數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、反應時間，磁簧開關已經足夠，但連續快速使用，會導致彈性疲乏，反應時間變慢，可改用電子式繼電器，不過在某些狀況有壓降的情形，但這是另外一項課題。
3.5 計算機
計算機已經相當普遍，但一般桌面計算機不適合用在現場，必須考慮操作人員的素質與環境，最好采用工業級計算機，比較可以容忍較大的濕度與溫度范圍，以及一年不停的運轉。
3.6 軟件
圖五為雷射測厚儀主畫面，可直接將三個剖面做完整的顯示，操作人員基本上只要輸入鍋號及料號，軟件會檢查輸入是否正確，并依據料號之編碼原則計算所有等級上下限，以避免人為錯誤，主畫面也顯示分級設備狀況并適時提醒，也可計算上一鍋之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算機上顯示Class A & B 之數量給品管檢驗人員參考，雙重確認厚度不良品不會流到客戶手中。
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圖五. 測厚儀軟件主畫面
此外，除將結果存盤本機計算機，也透過網絡存盤至服務器給相關人員參考，若想在內部網絡實時監控所有測厚儀狀態也可以辦到，目前業者測厚儀判定Class C，Cpk 小于1.33 時，自動發出E-mail 通知相關人員。
3.7 量測位置
IPC-4101 僅規定厚度等級，沒有規定量測儀器、位置與數據數，形成各家有各家的規定。厚度數據應是全剖面，因此要取多少點都可以，一張基板合理取27 點存檔(距板邊3, 5, 10 ,15,center, -15, -10, -5, -3 inches)，厚度30 mil 以上基板，可加測板邊1 inch(共33 點)做分級(圖六)，任何一點都不得超出規格，Cpk 之計算應為27 點各自獨立。
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圖六. 分級位置
3.8 校正
測厚儀不能保證免校驗，因此要有校正的方法，一般利用標準樣品做校驗。校正應分機構歸零與軟件歸零，另外每年要定期測試其重復與再現性(Gage R&R, 如圖七)。若有可能，應做雷射位移傳感器線性度測試。
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圖七. Gage R&R
4. 理論
厚度的測試實行一段時間后，測厚設備可能因零組件老化、損壞或客戶需求，必須持續的維護與改進，這時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
一般業界所使用雷射位移傳感器為三角量測系統，即為打出特定波長雷射光，遇上物體有反射、穿透、散射等，傳感器接收此特定波長散射光，由角度得到距離，圖8 為示意圖。
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圖八. 三角量測系統示意圖
位移傳感器要轉換成厚度需要上方與下方各一個傳感器，分別得到銅箔基板上方與上方傳感器距離及銅箔基板下方與下方傳感器距離，與兩個感測頭距離相減得到厚度(圖九)。
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圖九. 厚度取得方式
由于輸送帶與銅箔基板散射光量不同因此位移傳感器之控制電路檢測出光束光點對每一像素(pixel, 有愈多像素代表硬件分辨率愈好)光量分布值，會自動調整靈敏度以利量測(圖十)，故厚度量測在板邊會有不穩定現象。
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圖十. 傳感器自動調整靈敏度
雷射位移傳感器，采樣率較慢，圖4 之凹陷會被忽略，而凹陷是否就是主要缺點。有些傳感器會給最直接的數據，也有的傳感器控制電路會以階梯式變化(圖十一)。
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圖十一. 反應程度
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、模擬數字卡與聯機，外在因素有溫度與作業環境。就雷射位移傳感器與模擬數字卡做一比較(表三)，發現雷射位移傳感器的線性度是誤差最大來源。
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表三. 雷射位移傳感器與模擬數字卡之誤差
噪聲是非規則性的訊號，可能由接頭、扁平電纜產生，訊號以電壓傳遞比用電流傳遞，噪聲的影響相對較高。噪聲之消除可用圖十一方式處理，會得到較為平緩數據，如圖十二。
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圖十二. 噪聲去除
若位移傳感器不提供這種功能，可由軟件處理，可用時間平均法、加權平均法等(圖十三，依據圖四原始資料)。
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圖十三. 軟件平滑化
原始資料
X1, X2, X3 … Xn-1, Xn, Xn+1, …
三點平均
Xn = (Xn-1+Xn+Xn+1) ÷ 3
五點平均
Xn = (Xn-2+Xn-1+Xn+Xn+1+Xn+2) ÷ 5
加權平均
Xn = (c*Xn-2+b*Xn-1+a*Xn+b*Xn+1+c*Xn+2) ÷(a+2b+2c)
4.3 故障排除
若發生設備異常，在了解圖3 之測厚儀架構后，可判斷出輸入或輸出訊號發生問題進而檢修。例如：
1. 無厚度數據-檢查訊號輸入扁平電纜、雷射位移傳感器是否開啟、傳感器電源供應是否正常。
2. 無法分級-檢查數字訊號輸出，供應繼電器電壓是否異常。
5. 結論
整個銅箔基板雷射測厚系統，包含雷射位移傳感器(光)、機構設計(機)、電路、光電開關、接線(電)與軟件共同整合，每一項零組件都關系到整個系統好壞，如不了解架構流程，一旦故障無法實時處置，現場人員將不信任，整個系統成為累贅，質量毫無控管可言，因此要秉持戒慎恐懼的心情來應用此項設備。
參考文獻
1. IPC-4101, “Specification for base materials for rigid and multilayer printed boards,” December (1997).
2. 張國棟，「統計制程管制技術手冊」，中國生產力中心 (1992)。
3. 楊長峰，「1-UP 雷射測厚程序書」，***德聯高科股份有限公司 (2001)。
4. KEYENCE，「半導體及電子組件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).