埋嵌式元件共面度測(cè)量方法研究（二）

4 測(cè)量方法改良

4.1 改良思路

對(duì)比共面度定義以及PCBA貼裝和焊接過(guò)程對(duì)器件引腳共面度值的測(cè)量方法，結(jié)合公司前期共面度測(cè)量、分析經(jīng)驗(yàn)，公司現(xiàn)有的埋嵌銅塊共面度的測(cè)量方法有如下待改進(jìn)之處(表7)。

4.2 改良方法

從表7的分析可知，使用三維坐標(biāo)儀測(cè)量公司埋嵌銅塊的共面度，需要在參考平面選取、測(cè)量數(shù)據(jù)量、計(jì)算方法和結(jié)果評(píng)價(jià)方法方面進(jìn)行優(yōu)化，以使其更加符合共面度原始定義，測(cè)量結(jié)果更能與客戶需求呼應(yīng)。

4.2.1 參考平面選取

根據(jù)共面度定義，被測(cè)點(diǎn)的共面度值反映該點(diǎn)與基準(zhǔn)面之間的偏移量，對(duì)于PCB上的埋嵌銅塊而言，其基準(zhǔn)面應(yīng)是銅塊所在的PCB局部區(qū)域，而非整個(gè)PCB板面。而為便于區(qū)分埋嵌銅塊不同位置的共面度值，我們?nèi)詼y(cè)量器件的四角與中央共五個(gè)點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量PCB板面對(duì)應(yīng)銅塊四角位置的四個(gè)點(diǎn)(板面上點(diǎn)與銅塊的距離一般為0.5 mm ~ 1.0 mm)，銅塊對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)面由PCB板面的這四個(gè)點(diǎn)構(gòu)造。

三維坐標(biāo)儀輸出的各點(diǎn)測(cè)量結(jié)果是三個(gè)數(shù)字一組的數(shù)據(jù)(如(5.012,10.251,-0.026))，分別代表測(cè)量點(diǎn)所在的X、Y、Z坐標(biāo)，這一個(gè)個(gè)點(diǎn)在一個(gè)三維空間內(nèi)。

在高等數(shù)學(xué)內(nèi)有如下定義和定理：

定理一：空間內(nèi)任意兩個(gè)點(diǎn)之間的連線，以及其連接方向，可以確定一個(gè)向量;

定理二：不在同一直線上的三個(gè)點(diǎn)，可以確定一個(gè)平面;

定理三：過(guò)一點(diǎn)做點(diǎn)外一個(gè)平面的垂線，則點(diǎn)與垂足組成的線段的長(zhǎng)度即為該點(diǎn)到平面的距離。

基于上述定義和定理，我們可以把PCB板面的各測(cè)量點(diǎn)組成向量，并構(gòu)造出平面，然后計(jì)算銅塊表面各測(cè)量點(diǎn)到平面的距離，就可以得到測(cè)量點(diǎn)的共面度值。

測(cè)量PCB板面呈方形的四個(gè)點(diǎn)A1、B1、C1、D1,對(duì)于每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，選取與其直角相鄰的2個(gè)點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)平面，則可構(gòu)造四個(gè)平面，如圖9所示。定義A1、B1、C1、D1對(duì)應(yīng)的平面為α1、α2、α3、α4.

下文以構(gòu)造點(diǎn)A1、B1、D1對(duì)應(yīng)的平面α1為例，介紹使用PCB板面測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)、采用點(diǎn)法式方法構(gòu)造基準(zhǔn)平面的過(guò)程：

(1)選取構(gòu)造點(diǎn)：設(shè)A1點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1,z1)，B1點(diǎn)坐標(biāo)為(x2,y2,z2)，D1點(diǎn)坐標(biāo)為(x4,y4,z4);

(2)構(gòu)造向量：向量A1D1記為a1{(x4-x1)，(y4-y1)，(z4-z1)},向量A1B1記為b1{(x2-x1)，(y2-y1)，(z2z1)};

(3)計(jì)算平面法向量：

(4)構(gòu)造平面α1:點(diǎn)法式方程為：

同理可利用A1、B1、C1點(diǎn)構(gòu)造B1點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)平面α2,B1、C1、D1點(diǎn)構(gòu)造C1點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)平面α3,C1、D1、A1點(diǎn)構(gòu)造D1點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)平面α4.

4.2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)量

為兼顧測(cè)量效率和測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)每個(gè)點(diǎn)測(cè)量1、2、3次的計(jì)算方法，其中每個(gè)點(diǎn)測(cè)量2、3次時(shí)，每次測(cè)量時(shí)需對(duì)同一位置測(cè)量2、3次，計(jì)算共面度時(shí)各點(diǎn)坐標(biāo)取測(cè)量的平均值。

計(jì)算共面度時(shí)的優(yōu)先順序?yàn)椋簡(jiǎn)吸c(diǎn)3次>單點(diǎn)2次>單點(diǎn)1次?？稍趦?yōu)先(Excel)表格內(nèi)編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)設(shè)定。

4.2.3 共面度值計(jì)算

如圖10,計(jì)算銅塊表面A(xA,yA,zA)點(diǎn)到基準(zhǔn)面的共面度，基準(zhǔn)面為點(diǎn)A1、B1、D1所構(gòu)造的平面α1,已知A1點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1,z1)，平面α1的點(diǎn)法式方程為：

則A(xA,yA,zA)點(diǎn)到其基準(zhǔn)平面α1的距離dA可用下式計(jì)算：

同理，可計(jì)算銅塊表面其它各點(diǎn)B、C、D距離其對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)平面的距離dB、dC、dD.對(duì)于銅塊表面中央點(diǎn)E,由于其距離PCB表面參考點(diǎn)A1、B1、C1、D1均較遠(yuǎn)，故分別計(jì)算其到α1、α2、α3、α4四個(gè)基準(zhǔn)平面的距離dE1、dE2、dE3、dE4,并考量四個(gè)計(jì)算值的差異，用以輔助評(píng)價(jià)被測(cè)PCB樣品是否存在翹曲、樣品在測(cè)量臺(tái)面上是否被水平放置。

上述銅塊上各點(diǎn)到基準(zhǔn)平面的距離dA、dB、dC、dD、dE1、dE2、dE3、dE4,即為被測(cè)銅塊表面各點(diǎn)的共面度值。dA、dB、dC、dD、dE1、dE2、dE3、dE4中絕對(duì)值最大者，即為被測(cè)銅塊的共面度值。[!--empirenews.page--]

4.2.3 結(jié)果評(píng)價(jià)

(1)各點(diǎn)共面度值：A、B、C、D點(diǎn)共面度值為dA、dB、dC、dD,E點(diǎn)共面度值為dE1、dE2、dE3、dE4中絕對(duì)值最大者;

(2)銅塊共面度值：dA、dB、dC、dD、dE1、dE2、dE3、dE4中絕對(duì)值最大者;

(3)測(cè)量結(jié)果有效性判定：

①被測(cè)PCB板應(yīng)被水平放置在測(cè)量臺(tái)面上：若被測(cè)PCB板上直角相鄰的兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間的高度差與其直線距離的比值>0,則視為被測(cè)PCB板可能存在斜放，需調(diào)整后重新測(cè)量。如：

(z2-z1)/(y2-y1)>0.5%或(z4-z1)/(x4-x1)>n‰，則被測(cè)PCB板可能存在斜放。

②被測(cè)PCB板在埋嵌銅塊區(qū)域內(nèi)存在翹曲：若被測(cè)PCB板上某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)距其對(duì)角的基準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)面的距離與該兩點(diǎn)直線距離的比值>0,則視為被測(cè)PCB板在埋嵌銅塊區(qū)域內(nèi)可能存在翹曲，需更換PCB或銅塊樣品重新測(cè)量。

③被測(cè)埋嵌銅塊存在翹曲：若被測(cè)埋嵌銅塊上各測(cè)量點(diǎn)共面度值極差與該銅塊上對(duì)角線兩點(diǎn)直線距離的比值>0,則視為被測(cè)埋嵌銅塊可能存在翹曲，需更換PCB或銅塊樣品重新測(cè)量。

4.2.4 標(biāo)準(zhǔn)化和程序化

對(duì)使用公司三維坐標(biāo)儀測(cè)量埋嵌銅塊共面度的測(cè)量方法進(jìn)行規(guī)范，如鏡頭放大倍率設(shè)定、聚焦取景范圍設(shè)定、光源類型和亮度設(shè)定等。

對(duì)于測(cè)量結(jié)果的計(jì)算和評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)專用表格和程序，處理數(shù)據(jù)時(shí)只需將原始數(shù)據(jù)(。txt格式)轉(zhuǎn)化成電子表格格式(。txt格式)后粘貼到指定表格內(nèi)，即可顯示測(cè)量結(jié)果和評(píng)價(jià)結(jié)果。

4.3 改良效果評(píng)價(jià)

4.3.1 改良前后的測(cè)量結(jié)果對(duì)比

使用公司三維坐標(biāo)儀，分別采用直接比較五點(diǎn)法和改良后的五點(diǎn)法測(cè)量同一嵌銅塊樣品的共面度，對(duì)比測(cè)量結(jié)果如表8、表9.

由上述數(shù)據(jù)可見(jiàn)，采用改良后的五點(diǎn)法測(cè)量結(jié)果極差減小，平整度值相對(duì)較小，原因是采用構(gòu)造平面的方法減小了直接對(duì)比法計(jì)算共面度值帶來(lái)的誤差。

4.3.2 重復(fù)性和再現(xiàn)性評(píng)價(jià)

使用公司三維坐標(biāo)儀、5個(gè)嵌入銅塊樣品、分別由3個(gè)不同測(cè)量人各隨機(jī)測(cè)量3次，對(duì)測(cè)量結(jié)果做重復(fù)性和再現(xiàn)性評(píng)價(jià)如表10、表11.

由上述分析可見(jiàn)：

(1)使用三維坐標(biāo)儀測(cè)量銅塊樣品的共面度，重復(fù)性變差0.006 mm,再現(xiàn)性變差0.004 mm,重復(fù)性和再現(xiàn)性變差0.009 mm,占樣品公差范圍(±0.152 mm)的6.03%,說(shuō)明該方法的重復(fù)性和再現(xiàn)性很好;

(2)五個(gè)被測(cè)銅塊樣品的共面度σ為0.003 mm、樣品變差 (PV)為0.015 mm、占銅塊樣品共面度公差范圍(±0.152 mm)的9.73%,說(shuō)明被測(cè)銅塊樣品表面平整，公司埋嵌銅塊產(chǎn)品共面度良好。

4.4 測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)化和程序化

針對(duì)該新開(kāi)發(fā)的埋嵌銅塊共面度測(cè)量方法的測(cè)量操作(樣品放置、光源選擇、鏡頭放大倍率設(shè)定)、數(shù)據(jù)記錄、結(jié)果分析等要求，建立一套共面度測(cè)量操作和測(cè)量結(jié)果計(jì)算的規(guī)范。且針對(duì)埋嵌銅塊共面度測(cè)量結(jié)果的原始數(shù)據(jù)處理、基準(zhǔn)平面構(gòu)造、各測(cè)量點(diǎn)共面度值計(jì)算過(guò)程均已在EXCEL表格內(nèi)完成編程，形成埋嵌銅塊共面度測(cè)量數(shù)據(jù)處理專用軟件。使用人員只需將三坐標(biāo)儀測(cè)得的原始測(cè)量數(shù)據(jù)(。txt格式)轉(zhuǎn)化成電子表格(。xls)格式，再?gòu)?fù)制、粘貼到指定的表格區(qū)域內(nèi)，即可顯示共面度值計(jì)算結(jié)果和測(cè)量結(jié)果有效性判定結(jié)果。其余非操作界面和后臺(tái)計(jì)算界面均已加密處理，避免操作人員誤操作損害軟件。

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)電子行業(yè)內(nèi)有關(guān)共面度的定義、共面度的測(cè)量方法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的了解和吸收，在公司原有較簡(jiǎn)單的埋入/嵌入銅塊共面度測(cè)量方法(切片觀察法、直接比較五點(diǎn)法)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種新的埋入/嵌入銅塊共面度測(cè)量方法及其軟件，該方法具有如下特點(diǎn)：

(1)可對(duì)埋入/嵌入銅塊樣品進(jìn)行無(wú)損、重復(fù)、高精度在線測(cè)量，測(cè)量結(jié)果可智能計(jì)算，且包含測(cè)量結(jié)果有效性判定功能;

(2)利用高等數(shù)學(xué)方法對(duì)大量原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，從而得到準(zhǔn)確的埋嵌銅塊共面度測(cè)量結(jié)果;

(3)將原始數(shù)據(jù)處理過(guò)程、共面度值計(jì)算過(guò)程、共面度計(jì)算即時(shí)顯示功能以及計(jì)算結(jié)果有效性判定等功能實(shí)現(xiàn)程序化和模塊化，減少了埋嵌銅塊共面度測(cè)量的工作量和出錯(cuò)概率，提高了該測(cè)量方法的實(shí)用性;

(4)相比電子行業(yè)常規(guī)測(cè)量方法，不需新增專用設(shè)備，節(jié)省了設(shè)備投資或改造費(fèi)用。

科技、社會(huì)的發(fā)展推動(dòng)著PCB行業(yè)的迅猛發(fā)展，在賦予我們無(wú)數(shù)機(jī)遇的同時(shí)也帶給我們前所未有的挑戰(zhàn)，它將永遠(yuǎn)鞭策著我們不畏艱險(xiǎn)、迎難而上。在開(kāi)創(chuàng)PCB新工藝、新技術(shù)、新產(chǎn)品的道路上，我們?nèi)沃囟肋h(yuǎn)。

開(kāi)啟新思維、提出新見(jiàn)解、采用新方法，不斷開(kāi)發(fā)出符合客戶要求的高科技產(chǎn)品將是我們永遠(yuǎn)的追求和動(dòng)力。