1 背景

隨著電子行業(yè)朝高功率、微型化、組件高密度集中化方向的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品的功率密度越來越大，體積越來越小，如何尋求和優(yōu)化最佳散熱方法及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成為當(dāng)今電子工業(yè)設(shè)計(jì)的一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。有研究表明，電子元器件工作溫度在(70~80)℃范圍內(nèi)每升高1 ℃，其可靠性將下降5%.因此對(duì)于PCB行業(yè)來說，開發(fā)PCB散熱管理技術(shù)，降低PCB工作溫度，是提高PCB及其系統(tǒng)的可靠性的重要途徑。

早在1985年，在日本電氣化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社就問世了第一代的散熱基板產(chǎn)品“HITT僾儗乕僩”(HITT板塊散熱)。目前PCB市場(chǎng)上出現(xiàn)的超厚銅箔板材、導(dǎo)熱板材、金屬基板(銅基板、鋁基板)、夾銅芯板和埋嵌金屬塊板等散熱管理相關(guān)產(chǎn)品，就是電子行業(yè)研發(fā)工作者聰明才智和辛勤勞動(dòng)的結(jié)晶。

所謂埋嵌金屬塊板(圖1)，是在PCB板上對(duì)應(yīng)貼裝高功率元器件局部位置埋嵌金屬塊(紫銅塊或鋁塊)，客戶端使用時(shí)高功率元器件直接貼裝到金屬塊上面，器件工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱量通過金屬塊傳導(dǎo)到PCB另外一側(cè)的專用散熱器件上，從而有效降低元器件和PCB工作溫度，提高設(shè)備使用壽命?？梢?，包含埋嵌式器件的PCB技術(shù)的開發(fā)，可有效促進(jìn)PCB高密化發(fā)展、提高PCB組裝可靠性、改善電子互連電氣性能，同時(shí)相對(duì)常規(guī)金屬基板又節(jié)省了成本，是一項(xiàng)前途光明的先進(jìn)技術(shù)。

共面度(Coplanarity)是表征諸多被測(cè)對(duì)象與樣品基準(zhǔn)面之間的偏移量的指標(biāo)，對(duì)于PCB行業(yè)而言，更為常見的類似定義是平面度和翹曲度，共面度、平面度和翹曲度三者的區(qū)別和相似點(diǎn)分析如表1 所示。

由表1可見，對(duì)于常規(guī)PCB而言，翹曲度是關(guān)鍵指標(biāo)。而對(duì)于含埋嵌式元件PCB而言，更為重要的是局部位置(埋嵌元件位置)內(nèi)各器件的共面度。共面度、平面度和翹曲度三者的共同點(diǎn)是，反映樣品的實(shí)際狀況相對(duì)理想狀態(tài)的變動(dòng)量。

由于客戶需要在PCB埋嵌元件表面貼裝、焊接高功率元器件和散熱器件，如器件與PCB共面度不佳，則容易缺錫膏導(dǎo)致功率器件或散熱器件焊接不牢，或錫膏過多導(dǎo)致高功率元器件短路。因此在埋嵌元件PCB制作過程中，必須嚴(yán)格控制和監(jiān)測(cè)埋嵌元件與PCB的共面度。

2 現(xiàn)狀分析

當(dāng)前PCB行業(yè)內(nèi)對(duì)埋嵌元件共面度的測(cè)量方法沒有統(tǒng)一和明確的規(guī)范，但在PCBA貼裝和焊接過程，則對(duì)焊腳相對(duì)PCB表面的共面度有控制要求(圖2)。

在此需要定義幾個(gè)測(cè)量共面度過程中的關(guān)鍵術(shù)語：

(1)共面度：反映諸多被測(cè)對(duì)象與樣品基準(zhǔn)面之間的偏移量。

(2)共面度偏移量：被測(cè)對(duì)象與樣品基準(zhǔn)面之間的距離。

(3)共面度最終測(cè)量值就是所有被測(cè)對(duì)象的共面度偏移量的最大值。

常規(guī)的測(cè)量共面度方法有兩種：三棱鏡法(圖3)和投影法(圖4)。一般來說，三棱鏡法可以測(cè)量樣品五個(gè)表面所有被測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)面之間的距離，而投影法僅可測(cè)量樣品投影表面(1個(gè)表面)被測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)面之間的距離。兩種方法的測(cè)量原理相同，因此測(cè)量精度也完全相同，但投影法測(cè)量速度比三棱鏡法快3倍以上。

上述兩種方法都需要專用的三維掃描測(cè)量?jī)x器，且行業(yè)內(nèi)還沒有成熟的將其用于測(cè)量PCB內(nèi)埋嵌元件共面度的經(jīng)驗(yàn)。因此，開發(fā)和完善對(duì)于PCB內(nèi)埋嵌銅塊共面度的檢測(cè)方法，具有十分重要的意義。

3 共面度檢測(cè)方法對(duì)比

綜合考察PCB及相關(guān)上下游行業(yè)對(duì)共面度/平面度的測(cè)量需求，有金相切片分析法、三維坐標(biāo)儀測(cè)量法、三維影像測(cè)量法以及接觸式三維坐標(biāo)儀測(cè)量法等較常用的四種測(cè)量方法。對(duì)比分析各方法的測(cè)量原理、測(cè)量特點(diǎn)、測(cè)量效率等如下。

3.1 切片分析法

切片分析法是一種常規(guī)的檢查PCB內(nèi)部結(jié)構(gòu)或缺陷的合規(guī)性判斷方法。采用切片分析法檢測(cè)PCB埋嵌銅塊共面度，需要將埋嵌銅塊連同周邊一定尺寸的PCB切割下來制成樣片，經(jīng)過垂直研磨、拋光和后處理后，在金相顯微鏡一定倍率下(常為200X)檢查埋嵌銅塊相對(duì)其周邊PCB基體的高度差(圖5)。

顯然，切片分析法檢測(cè)PCB埋嵌銅塊共面度是一種破壞性的檢測(cè)方法，其檢測(cè)耗時(shí)較長(zhǎng)，所能檢查的點(diǎn)有限，但其測(cè)量結(jié)果直觀(可拍攝圖片、在圖片上量取共面度)、測(cè)量精度較高(常用200倍放大倍率下：誤差為5%)。

3.2 三維坐標(biāo)測(cè)量法

公司三維坐標(biāo)儀原理是利用鏡頭的聚焦功能，記錄被測(cè)樣品表面被聚焦時(shí)所處的坐標(biāo)(包含X、Y、Z軸坐標(biāo))。計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)之差，則可得到被測(cè)樣品表面的共面度值。結(jié)合埋嵌式產(chǎn)品特點(diǎn)以及公司現(xiàn)有設(shè)備能力現(xiàn)狀，開發(fā)了一種埋嵌銅塊共面度的測(cè)量方法，具體測(cè)量位置要求如圖6所示。

該方法使用公司三維坐標(biāo)儀測(cè)量被測(cè)點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，所需要的測(cè)量點(diǎn)一般為9個(gè)，且樣品表面檢查點(diǎn)(點(diǎn)2、3、6、7、9)分布在被測(cè)樣品(銅塊)的四角和中央，具有代表性。參考點(diǎn)(點(diǎn)1、4、5、8)為被測(cè)樣品四角PCB表面的銅面，不需專門在被測(cè)樣品(銅塊)周邊設(shè)計(jì)測(cè)量焊盤，且同樣能有效表征被測(cè)PCB樣品所處的基準(zhǔn)平面。

該方法在計(jì)算被測(cè)樣品(銅塊)的共面度時(shí)，采用如表2所示的計(jì)算方法(直接比較法)：

因上述方法輸出的是被測(cè)樣品(銅塊)表面5點(diǎn)的共面度值，且采用測(cè)量點(diǎn)與參考點(diǎn)縱坐標(biāo)直接比較的方法計(jì)算被測(cè)點(diǎn)的共面度值，故簡(jiǎn)稱直接比較五點(diǎn)法。

綜上所述，該方法有如下特點(diǎn)：

(1)可對(duì)在線產(chǎn)品進(jìn)行無損測(cè)量;

(2)測(cè)量快速簡(jiǎn)便、可對(duì)同一位置進(jìn)行重復(fù)多次測(cè)量;

(3)測(cè)量精度受三維坐標(biāo)儀儀器精度、被測(cè)樣品翹曲情況(如某些混壓板)限制;

(4)被測(cè)樣品(銅塊)距離板邊較遠(yuǎn)時(shí)，因三維坐標(biāo)儀樣品臺(tái)面尺寸和鏡頭行程(304.8 mm×152.4 mm×152.4 mm)限制，無法測(cè)量。

3.3 三維影像測(cè)量?jī)x測(cè)量

近年來，隨著PCB行業(yè)對(duì)影像測(cè)量需求的增加，許多影像測(cè)量設(shè)備商開發(fā)了一系列的三維影像測(cè)量?jī)x，其特點(diǎn)是采用高分辨率的鏡頭和特殊算法，先對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行全面立體掃描(圖7)，獲取其三維影像信息，并針對(duì)客戶的需求分析(平面的長(zhǎng)度、寬度或形狀的測(cè)量，立體的形狀、位置或高度的測(cè)量等)，采用相應(yīng)的算法進(jìn)行計(jì)算，并即時(shí)輸出結(jié)果。

該方法盡管測(cè)量精度高，所得圖片清晰、形象，但由于其操作臺(tái)面較小(約200 mm×200 mm)、掃描時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量精度受到光源類型和被測(cè)樣品表面清潔度等因素影響，不適用于公司埋嵌銅塊產(chǎn)品的共面度在線檢查。

3.4 接觸式三坐標(biāo)儀測(cè)量

3.4.1 測(cè)量原理

機(jī)械加工業(yè)內(nèi)有一種測(cè)量樣品平面度的接觸式三坐標(biāo)儀，其測(cè)量原理與常規(guī)影像式三坐標(biāo)儀類似，即采用微小探頭接觸被測(cè)樣品表面獲取其三維坐標(biāo)(圖8)，再經(jīng)過一系列計(jì)算，輸出被測(cè)樣品的平面度、三維尺寸等信息。分析其測(cè)量原理可知，可利用其測(cè)量公司埋嵌銅塊的共面度。

3.4.2 測(cè)量結(jié)果與分析

使用接觸式三坐標(biāo)儀測(cè)量公司埋嵌銅塊產(chǎn)品的測(cè)量和分析結(jié)果如表3、表4.測(cè)量效率分析如表5.

3.4.3 小結(jié)

(1)采用接觸式三坐標(biāo)儀測(cè)量埋嵌銅塊共面度，可對(duì)大尺寸的PCB板進(jìn)行無損在線測(cè)量;(2)采用接觸式三坐標(biāo)儀測(cè)量埋嵌銅塊共面度，其Z向測(cè)量結(jié)果不受影像測(cè)量方法的聚焦能力影響，但在測(cè)量微小尺寸的埋嵌銅塊(2 mm或更小)時(shí)，存在較大的定位誤差;(3)采用接觸式三坐標(biāo)儀測(cè)量公司埋嵌銅塊的共面度，其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度和可重復(fù)性較好，且可實(shí)現(xiàn)編程測(cè)量，在測(cè)量樣品數(shù)量較多時(shí)，其測(cè)量效率較高。

3.5 各測(cè)量方法對(duì)比匯總

匯總上述四種測(cè)量方法的對(duì)比結(jié)果，如表6所示。

公司前期常用的方法為金相切片分析法和三坐標(biāo)測(cè)量法，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，均需要做針對(duì)性的改進(jìn)。