精细线路PCB对AOI检测技术的挑战_吴梅珠.pdf

Printed Circuit Information 印制电路信息 2009 No 12 52 精细线路PCB对AOI检测技术的挑战 吴梅珠 吴小龙 编译 江南计算技术研究所 无锡 214083 摘 要 高密度互连基板对精细线路的检查提出了更高的要求 文章论述了AOI在检查精细线路时面临的挑战与问 题 对生产过程中精细线路的侦测提供了指引 关键词 AOI 高密度互连 产能 中图分类号 TN41 文献标识码 A 文章编号 1009 0096 2009 12 0052 04 The Challenges of AOI Inspection of Fine Line PCBs WU Mei zhu WU Xiao long Abstract Finer line of high density interconnection substrate challenges the traditional AOI inspection technology In this paper the author analyzes the problems while AOI inspecting fi ne line and gives some advice for inspecting fi ne line Key words AOI High Density Interconnection production capacity 0 前言 众所周知 高密度互连 HDI 基板比常规印制 板具有线宽 间距更窄 芯板厚度更薄 通孔厚径比 更高的特点 其中精细线路制造技术已经推向接近极 限的同时 随之而来的问题就是产能的降低 而细线 路的特点确使得缺陷侦测变得更为困难 为了克服由 此产生的产能损失 AOI扮演着极其重要的作用 1 细线路制造所面对的主要问题 当线宽低于50 m 2 mil 保持细线完整性 的问题 随着线宽接近15 m 0 6 mil 这一问题 也更为严峻 为了保证铜面与基材之间结合力 需要强制 性获得平滑的表面形貌 更为严格的阻抗控制公差 需要埋入式无源元件 2 AOI检测的相关问题 这些问题同时也给 AOI带来了两方面的挑战 与放大倍率相关 与材料 相关的挑战 与放大倍率相关的问题 检查精细线路板 要求更高的倍率 而增加倍率的同时 可能会在产 能 景深和光线传输等方面带来一定损失 这是需 要权衡的一个问题 与材料相关的问题 要将具有不规则线脚与 弧形线顶的电镀导线正确成像 并能够侦测出高厚 径比的线路间的细小短路 为了应对上述问题带来的挑战 精细线AOI检 检验与测试 Inspection Test Summarization Comment 综 述 与 评 论 Printed Circuit Information 印制电路信息 2009 No 12 53 查设备应该具备 先进的光电转换 灵活的照度控 制 先进的算法系统与精密强劲的机械结构 1 精细线制造问题 推动制造技术进一步向极限发展 伴随着对容 差要求更为苛刻 对制程变化更加敏感 必然会降 低产能 封装设计人员想要的理想的HDI基板是 支 持高频信号 提供阻抗控制 并最大限度降低产品 尺寸 然而物理与材料科学确定了在密度 阻抗 低电阻系数之间必须有所权衡 为了降低阻抗 设 计人员需要提高导线横截面积 另外 为了增加密 度 又需要降低导线宽度 这就导致导线厚度增 加 而高厚径比的精细线宽 间距导致生产困难 对于制程中每个参数的变化也更加敏感 1 1 高厚径比的精细线制作使得蚀刻流程很难 控制 一方面需要保证设计线宽 另一方面又要确保 线间蚀刻彻底 因此 蚀刻参数任何细微变化都可 能导致开路 短路 而外延的线脚残铜是这类蚀刻 流程另一个显著特征 这也将导致AOI检查困难 1 2 树脂表面粗糙度 随着线宽进一步变小 线路完整性也进一步依 赖于树脂表面的平整度 测试数据显示要制作15 m 细线 必须保证表面粗糙度不大于3 m 而为了将 产能提高到可接受程度 需要将表面粗糙度提高到 0 5 m水平 如何获得这种程度的粗糙度不在本文讨 论范围内 本文主要讨论这种粗糙度对AOI检查的影 响情况 1 3 嵌入式无源元件 许多HDI板需要内置薄 厚电阻 电容和电感 与表面贴装元件相比 诸如此类嵌入元件由于更加 靠近IC 缩短了信号传输路径 节约了空间并降低 总成本 而这类元件电性能取决于生产过程中尺寸 的控制 如厚膜电阻的厚度 宽度 薄膜电阻的厚 度 长度 宽度等 2 AOI面临的挑战与解决方法 2 1 对AOI的要求 可靠的AOI检查应该是能在生成最低误报率的同 时侦测出所有有意义的缺陷 这要求成像系统能够 使CCD恰到好处地 看 到被检物品 具有足够的 精细的识别度 具备智能化的算法分析获取图像 为了保证量产100 检查速度 光学系统必须具备高 速处理大量数据能力 2 2 与放大倍率相关的挑战 识别细线板上的微小细节要求CCD上精细图像 至少含有两个像素 而为了能可靠地侦测到精细线 上的缺口 突起 必须确保每条精细线含有4个像素 点 图1 亚像素级的软件图像处理有助于图像处 理算法的执行 但它不能向成像图形增加信息要素 光学系统决定了实际线宽与各自CCD所成图像间的 倍率 25 m 1mil 细线成像所需倍率是100 m 4mil 细线成像的4倍 然而 高倍率必然带来产 能 景深和光线传输方面的损失 图1 改变放大倍率以保证每条线有4个像素点 3 产能 成倍提高放大倍率导致CCD扫描时的覆盖带宽 减半 同时为了确保数据分析处理速率不变 扫描 速度也将减半 也就是说 在将放大倍率提高1倍同 时 整个板子扫描时间也将增加到4倍 图2 图2 倍率提高增加了相应的扫描时间 为了保证产能 可以通过提高扫描数据处理的 速率来提高扫描速度 也可以通过采用大像素CCD 来增加扫描覆盖带宽 4 DOF 景深 能够清晰成像时镜头与板之间距离范围称为 景深 当超出此范围时 所成图像将没有足够分辨 率 不能进行可靠的侦测 DOF是镜头数字光圈 NA 的函数 镜头最深景深是其焦距长度2倍 检 验 与 测 试 Inspection Test Summarization Comment 综 述 与 评 论 Printed Circuit Information 印制电路信息 2009 No 12 54 此时按1 1比例成像 随着镜头移向物体 倍率增 加 景深也随之降低 图3描绘了不同倍率镜头间景 深的变化 图3 倍率提高降低了景深 为了确保成像清晰 必须保证整板扫描期间位 于景深范围内 这意味着整个光学系统不仅需要随 着板厚变化进行调焦 而且还需要考虑到包括台面 平整度与板面翘曲度在内的机械容差是否在景深范 围内 精细线AOI设备必须确保整个扫描期间台面运动 及其平整度在DOF范围内 同时要求真空台面具备 足够吸力以克服板面的翘曲度 5 光线传输 当灯源照度恒定时 光强 Watt cm2 不会随着 倍率改变 然而 增加倍率意味着降低了光传输到 CCD中的面积 这导致到达CCD中的每个光敏器件 的光能量降低 因此降低了图像的亮度与对比度 例如 在相同图像亮度与对比度条件下 倍率增加 到1倍意味着灯源照度要4倍的增加 图4 图4 倍率的提高降低了亮度 为了克服这个问题 可以通过如下手段增加 光强 1 提高功率 增加光强同时也意味着释放更 多的热 2 添加光源 增加可用光总数 3 将光线聚焦到更小的点上 由于光学部件 的限制 这是利用已有光源最有效的手段 4 增加光圈 可以通过更多光 但也降低景 深 恶化透镜像差 5 降低扫描速率 如上所述 每个选择有好的一面 也有坏的一 面 一台精细线检查设备应能根据不同的产品做出 最优化组合 6 与材料相关的挑战 除了更小尺寸 更高密度外 还有其它几个精 细线板的特征会降低AOI成像能力 并导致误报率增 加 这些特征包括 蚀刻后线脚 跟 残铜 电镀 后线顶弧度与相邻线间高深宽比率 嵌入元件与半 透明的芯材虽然不是精细线板所特有 但也需要考 虑到它们的特有检查要求 7 弧状线脚 在减成法制程中 蚀刻剂同时在各个方向作 用 形成了弧状线脚 弧状线脚的延伸与铜厚成正 比 在精细线板中 相对于线宽 这种程度的弧状 线脚已经大到能够影响线条的成像精度 同时还使 得边缘侦测变得困难 图5 图5 CMTSTM分析出线形状 忽略了弧状线脚的影响 先进的检查设备能够克服这些挑战 通过采用 复杂的侦测运算逻辑 能够检查到线条的实际中央 部位 并忽略掉边缘形貌的影响 8 线路拱形顶部 半加成法制作的线路经电镀后 其顶部有一 明显的拱形特征 直射光下 这种拱形形成中央明 亮 边缘阴暗的图形 而斜射光下 则形成边缘明 亮 中央阴暗的图形 散射光能够提供均一的光照 强度 使这种线路能够形成清晰成像 图6 检 验 与 测 试 Inspection Test Summarization Comment 综 述 与 评 论 Printed Circuit Information 印制电路信息 2009 No 12 55 图6 多光路成像系统提供线路弧顶特征 9 线间高深宽比率 为了尽可能降低阻值 需要提高铜厚 为了提 高密度 需要降低线宽 这种高宽深比率导致线间 很难完全蚀刻干净 这种未蚀刻干净的线间底部残 留铜会形成细小短路 由于这种短路特有的小尺寸 与不规则表面 侦测它需要足够的灯源照度 但在 斜射光源下因线路的高 墙 产生的阴影遮蔽了这 种短路 这类问题解决方法是透过镜头采用高强度 垂直光源系统 这类系统利用分光镜将光沿着光路 同轴投射到板面上 图7 图7 细微短路侦测对比 10 反光性基材 平滑的基材表面能够提供更好的精细线结合力 与完整性 而其一个副作用就是能反射更多的光 导致基材与金属表面间对比度降低 一种解决方法是针对特有基材采用专门的滤 光 镜 AOI设备应该具有一套 系列 滤镜光片 以供选择 控制好光线角度也有助于突出线与基材 之间的高度差 11 嵌入式元件 检查导体线路与嵌入元件的主要区别是 导体 线路检查是侦测金属是否存在缺陷 短路 突起 开路 缺口 针孔等 而检查嵌入元件则还需要 测量某些功能 如嵌入电容的面积 电感圈线间间 距等 嵌入电感 电容与薄膜电阻是由铜制成 而聚 合物厚膜电阻 PTF 则有一新的挑战 电阻膏的黑 度与铜及基材都不同 因此 需要有能力检查出线 路末端的电阻膏 并侦测出其宽度是否满足设计要 求 AOI设备通过采用多阈值级别设置能解决这类问 题 较高阈值能区分出铜与电阻膏 较低阈值能区 分出基材与电阻膏的边缘 图8 a b 图8 a 嵌入式PTF电阻 b 多阈值级别区分开 电阻与基材 12 结论 精细线路的生产被认为是传统PCB工艺的一次 革命性进步 而由于制程中采用了新的方法 更为 苛刻的容差以及新的材料 必然导致产能降低 为 了将产能提高到与传统PCB相当的程度 AOI的作用 也更为突出 在一定程度上 通用的AOI设备也许能够适用 于常规细线检查 但与专用精细线AOI设备相比 侦测能力还较差 该系统核心是 光电子系统必须 能提供足够精度与倍率 光源系统能产生足够光强 度 在保证均匀持续性同时 角度与强度可连续程 控调节 平坦的吸真空台面可以克服板面翘曲的误 差 高精度定位系统确保每个轴向驱动平稳 精 确 粗实的底盘能很好地支撑所有这些系统并隔离 因机械震动带来的影响 最后 还必