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，成為當(dāng)今電子工業(yè)設(shè)計的一個巨大的挑戰(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的結(jié)晶。
所謂埋嵌金屬塊板(圖1)，是在PCB板上對應(yīng)貼裝高功率元器件局部位置埋嵌金屬塊(紫銅塊或鋁塊)，客戶端使用時高功率元器件直接貼裝到金屬塊上面，器件工作時產(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?？梢姡袂妒狡骷腜CB技術(shù)的開發(fā)，可有效促進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，同時相對常規(guī)金屬基板又節(jié)省了成本，是一項前途光明的先進技術(shù)。
共面度(Coplanarity)是表征諸多被測對象與樣品基準(zhǔn)面之間的偏移量的指標(biāo)，對于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)別和相似點分析如表1 所示。
由表1可見，對于常規(guī)PCB而言，翹曲度是關(guān)鍵指標(biāo)。而對于含埋嵌式元件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是，反映樣品的實際狀況相對理想狀態(tài)的變動量。
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)對埋嵌元件共面度的測量方法沒有統(tǒng)一和明確的規(guī)范，但在PCBA貼裝和焊接過程，則對焊腳相對PCB表面的共面度有控制要求(圖2)。
在此需要定義幾個測量共面度過程中的關(guān)鍵術(shù)語：
(1)共面度：反映諸多被測對象與樣品基準(zhǔn)面之間的偏移量。
(2)共面度偏移量：被測對象與樣品基準(zhǔn)面之間的距離。
(3)共面度最終測量值就是所有被測對象的共面度偏移量的最大值。
常規(guī)的測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，三棱鏡法可以測量樣品五個表面所有被測點與基準(zhǔn)面之間的距離，而投影法僅可測量樣品投影表面(1個表面)被測點與基準(zhǔn)面之間的距離。兩種方法的測量原理相同，因此測量精度也完全相同，但投影法測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量儀器，且行業(yè)內(nèi)還沒有成熟的將其用于測量PCB內(nèi)埋嵌元件共面度的經(jīng)驗。因此，開發(fā)和完善對于PCB內(nèi)埋嵌銅塊共面度的檢測方法，具有十分重要的意義。
3 共面度檢測方法對比
綜合考察PCB及相關(guān)上下游行業(yè)對共面度/平面度的測量需求，有金相切片分析法、三維坐標(biāo)儀測量法、三維影像測量法以及接觸式三維坐標(biāo)儀測量法等較常用的四種測量方法。對比分析各方法的測量原理、測量特點、測量效率等如下。
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)檢查埋嵌銅塊相對其周邊PCB基體的高度差(圖5)。
顯然，切片分析法檢測PCB埋嵌銅塊共面度是一種破壞性的檢測方法，其檢測耗時較長，所能檢查的點有限，但其測量結(jié)果直觀(可拍攝圖片、在圖片上量取共面度)、測量精度較高(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，記錄被測樣品表面被聚焦時所處的坐標(biāo)(包含X、Y、Z軸坐標(biāo))。計算各測量點的Z軸坐標(biāo)之差，則可得到被測樣品表面的共面度值。結(jié)合埋嵌式產(chǎn)品特點以及公司現(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量方法，具體測量位置要求如圖6所示。
該方法使用公司三維坐標(biāo)儀測量被測點的X、Y、Z坐標(biāo)，所需要的測量點一般為9個，且樣品表面檢查點(點2、3、6、7、9)分布在被測樣品(銅塊)的四角和中央，具有代表性。參考點(點1、4、5、8)為被測樣品四角PCB表面的銅面，不需專門在被測樣品(銅塊)周邊設(shè)計測量焊盤，且同樣能有效表征被測PCB樣品所處的基準(zhǔn)平面。
該方法在計算被測樣品(銅塊)的共面度時，采用如表2所示的計算方法(直接比較法)：
因上述方法輸出的是被測樣品(銅塊)表面5點的共面度值，且采用測量點與參考點縱坐標(biāo)直接比較的方法計算被測點的共面度值，故簡稱直接比較五點法。
綜上所述，該方法有如下特點：
(1)可對在線產(chǎn)品進行無損測量;
(2)測量快速簡便、可對同一位置進行重復(fù)多次測量;
(3)測量精度受三維坐標(biāo)儀儀器精度、被測樣品翹曲情況(如某些混壓板)限制;
(4)被測樣品(銅塊)距離板邊較遠(yuǎn)時，因三維坐標(biāo)儀樣品臺面尺寸和鏡頭行程(304.8 mm×152.4 mm×152.4 mm)限制，無法測量。
3.3 三維影像測量儀測量
近年來，隨著PCB行業(yè)對影像測量需求的增加，許多影像測量設(shè)備商開發(fā)了一系列的三維影像測量儀，其特點是采用高分辨率的鏡頭和特殊算法，先對被測樣品進行全面立體掃描(圖7)，獲取其三維影像信息，并針對客戶的需求分析(平面的長度、寬度或形狀的測量，立體的形狀、位置或高度的測量等)，采用相應(yīng)的算法進行計算，并即時輸出結(jié)果。
該方法盡管測量精度高，所得圖片清晰、形象，但由于其操作臺面較小(約200 mm×200 mm)、掃描時間長、測量精度受到光源類型和被測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)儀測量
3.4.1 測量原理
機械加工業(yè)內(nèi)有一種測量樣品平面度的接觸式三坐標(biāo)儀，其測量原理與常規(guī)影像式三坐標(biāo)儀類似，即采用微小探頭接觸被測樣品表面獲取其三維坐標(biāo)(圖8)，再經(jīng)過一系列計算，輸出被測樣品的平面度、三維尺寸等信息。分析其測量原理可知，可利用其測量公司埋嵌銅塊的共面度。
3.4.2 測量結(jié)果與分析
使用接觸式三坐標(biāo)儀測量公司埋嵌銅塊產(chǎn)品的測量和分析結(jié)果如表3、表4.測量效率分析如表5.
3.4.3 小結(jié)
(1)采用接觸式三坐標(biāo)儀測量埋嵌銅塊共面度，可對大尺寸的PCB板進行無損在線測量;(2)采用接觸式三坐標(biāo)儀測量埋嵌銅塊共面度，其Z向測量結(jié)果不受影像測量方法的聚焦能力影響，但在測量微小尺寸的埋嵌銅塊(2 mm或更小)時，存在較大的定位誤差;(3)采用接觸式三坐標(biāo)儀測量公司埋嵌銅塊的共面度，其測量結(jié)果準(zhǔn)確度和可重復(fù)性較好，且可實現(xiàn)編程測量，在測量樣品數(shù)量較多時，其測量效率較高。
3.5 各測量方法對比匯總
匯總上述四種測量方法的對比結(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)測量法，兩種方法各有優(yōu)缺點，均需要做針對性的改進。
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