微电阻铜厚测量仪的研制VIP

1 / 9 微电阻铜厚测量仪的研制 The Development of MRI-Y07A Micro-resistance Copper Thickness Measuring Instrument 叶道庆 1，陈培峰1，程凡雄1，方军良2，赵丽2 1上海美维科技有限公司 研发部 2上海美维科技有限公司 中央测试实验室 摘要摘要： 在线路板生产过程中， 需要对铜层厚度进行测量。 目前 PCB 企业使用的基本是进口的测厚仪， 为了解决现存仪器测量结果与金相切片结果有一定偏差，人机操作界面不够友好，设备与配件使用 成本较为昂贵的问题，我们研制了 MRI-Y07A 型铜厚测量仪。该仪器采用新的三点定标算法，高速 数据卡，综合了 28KHZ 采样频率，200ms 防抖控制，自动触发测量功能等方案。对 HDI 板铜厚实 测结果误差缩小到 4%，重复精度缩小到 1.5%，每次测量时间仅为 0.6 秒，而且采用多种数据记录模 式和 EXCEL 表格输出，人性化中文操作界面比进口仪器更方便，各项性能已经达到甚至超过进口 测厚仪水准。 关键词关键词：铜厚测量，四探针法，微电阻，三点定标法， Abstract: In printed circuit board production, the copper layer thickness after thinning or electroplating should be measured. Currently the imported measurement instruments are used in the most PCB shops. In order to decrease the deviation between the instruments measure results and micro-section data, improve the man-machine interface and reduce the running cost, we developed a new micro-resistance copper thickness measurement instrument i.e. MRI-Y07A. The instrument uses three-point calibration algorithm, high-speed data card that combines 28KHZ sampling frequency, 200ms anti-shake control function and automatically triggering measurement program, which not only can speed up the measuring speed, but also ensure accuracy. The measurement error is reduced to 4% and the repeat accuracy is down to 1.5% for the PCB board, especially for the HDI product. Only 0.6 seconds is spent for each measurement. The man-machine interface in Chinese, which has kinds of data recording mode and EXCEL table output, is more convenient than that of imported equipment. Generally speaking, the performance of MRI-Y07A is equivalent to or even exceeded the standards of the imported ones. Keywords: Copper thickness measurement, Fourpoint probe, Micro-resistance, three-point calibration algorithm 1.01.0 前言前言 在 PCB 的生产过程中，有多道生产工序需要对铜层厚度进行测量，比如在铜层减薄 和电镀前后。目前 PCB 生产厂家使用的比较多的都是进口的测量设备,如在上海美维的 生产线上，配备有英国 OXFORD 公司的 CMI700 型铜箔测厚仪以及德国 FISCHER 公司的 SR-SCOPE RMP30-S 型铜箔测厚仪。当然其他厂家也有配备来自美国 VEECO 公司的 CD-8 型铜箔测厚仪。PCB 客户一般要求铜厚监控精度在 10%以内。由于对探头所在测量范围 的要求，这三种测厚仪对含较多盲埋孔的 HDI 板的测量时可能会有较大误差。例如当 2 / 9 CMI700 测量区域小于 4.4cm4.4cm 时，测量误差随面积减小而大幅增加，误差甚至可 高达 50%。 此时线路板企业多数使用金相切片法来作为最终判定铜层厚度的依据和手段， 费时费力；除此之外这些从国外进口的测量仪也存在着人机操作界面不够友好，数据输 出和数据处理的手段比较单一，整机与配件价格较为昂贵等缺陷。 针对国外仪器存在的问题，美维科技研发部历时 2 年，先后进行了探头，算法和整 机硬件和软件方面的研制和创新，开发了 MRI-Y07A 测厚仪和 MRP-5 探头，并将该设备 在实际生产线进行了批量应用和推广。 2.02.0 金属测厚的原理金属测厚的原理 现有铜箔测厚技术主要来源于金属测厚原理，金属测厚的主要方法见下表： 测试方法测试方法 原理原理 优点优点 缺点缺点 适用范围适用范围 破 坏 性 方 法 金相法 通过显微镜对样品切片 镀层剖面进行测量， 从而 确定镀层厚度 便宜且技 术成熟 有破坏性， 耗时长 工艺样板 库仑法 根据药液与单位面积镀 层金属的反应时间确定 镀层厚度 便宜且技 术成熟 有破坏性， 耗时长 微小面积的镀层、 防氧化及金镀层 无 损 性 方 法 X 光射线法 根据单位面积 X 光入射 后所激发或吸收的荧光 的强弱确定镀层或涂层 厚度 精确，测 量范围广 价格较贵 镀铜、镀（沉）镍 金、镀（沉）锡铅、 镀银、镀纯锡等 射线法 根据单位面积 射线入 射镀层后所激发或吸收 的荧光的强弱确定镀层 或涂层厚度 较 X 射线 便宜，测 量范围广 不精确，测 量多镀层困 难 镀铜、镀镍金、镀 锡铅、镀银、镀纯 锡等 电涡流法 通过对样品表面涡流的 测量确定镀层厚度 便宜且迅 速 不适合测量 多 层 电 路 板，不能测 多镀层厚度 孔壁铜厚及板材铜 厚等 微电阻法 根据四探针法测体电阻， 进而确定厚度 便宜且迅 速 不能测多镀 层厚度 精确测量铜镀层厚 度，勉强可测铅锡 及金镀层厚度 表格表格 1 1 金属厚度测量方法汇总金属厚度测量方法汇总 目前 PCB行业对 HDI板的铜箔厚度进行测量， 多采用金相切片法作为权威测厚依据， 加上微电阻法测厚作为参考手段， 还有一些单层板采用涡流法测厚， 但是使用范围有限。 对于金相切片法，测量精度比较高，但是费时费力，而且为破坏性检测，测量的范围也 受制于切片大小。采用微电阻测厚仪来测量铜厚，则有便宜和迅速的优点。 3 / 9 微电阻法测量铜箔厚度，是基于同一种金属的厚度不同会有不同的体电阻，可根据 体电阻的变化规律反推厚度。该方法的优点是无损测量，测量时间短，测量精度高，重 现性好。实际在微电阻测量电路中，为了消除接触电阻，都采用四探针法 123。典型的 四探针法测量体电阻的结构如图 1 所示。 图图 1 1 四探针法测试示意图四探针法测试示意图 在四探针法中，电阻与厚度的换算关系需要考虑电流的分布。因为 PCB 铜箔厚度一 般小于 100um，而探针间距大于 2mm，对于这样的薄板电阻，电流在厚度方向上的分布 差异，可以忽略。所以测量时一般只考虑在铜箔平面上的分布，而忽略在铜箔厚度上的 分布。当待测铜箔面积远大于探针间区域面积时，则电流分布为椭圆形；当待测铜箔面 积接近于探针间区域面积时，则电流分布为不规则的椭圆形，产生边缘效应。根据推导 当 t1.5%时，停止测试，此 时记录在编程控制器上的探头的使用次数即为使用寿命。测试频率为 0.3 秒/次，100 万次测试时间需要 4 天左右。探头寿命测试的结果如图 6 所示，经过 100 万次的测量， 重复精度仍然可以控制在 1.5%以内。 4.04.0 测量精度测量精度 图图 7 7 MRIMRI- -Y07AY07A 微电阻铜厚测量仪系统照片微电阻铜厚测量仪系统照片 定型后的 MRI-Y07A 微电阻铜厚测量仪的外观如图 7 所示，对于该设备的测量精度 我们进行了评估。评估的项目和标准如下表所示： 项目项目 测试方法测试方法 接受接受 标准标准 样品样品 误差 主机 按照测试设备规定用标准样品定 标。 相当 标称样品为 Fisher 标 准铜箔样品，厚度分别 数据处理 电脑 测量主机 探头 标准片 8 / 9 系统误差 和 探头 MRI铜 厚 测 试 仪 ： 型 号 为 MRI-Y07A，定标厚度为 5.1um， 16.2um，64.1um 对比设备采用使用较广泛的英国 C 测厚仪 由同一评价人对二台仪器进行样 品测量，重复测量 15 次。 相当 为 5.1um ， 11.6um ， 16.2um ， 32.0um和 64.1um 重复精度 相当 相对极差 5.0% 表格表格 3 3 精度对比测量的项目和方法精度对比测量的项目和方法 其中误差的定义如 3.4 节所述，其他指标的定义如下： 系统误差 次平均值 标称值 标称值 重复精度 次标准偏差 次平均值 相对极差 最大值 最小值 次平均值 两种设备在误差，系统误差，重复精度和相对极差的对比结果见下图： 图图 8 8 两种设备测量精度的对比两种设备测量精度的对比 通过图 8 可以看出：整体而言，MRI 测厚仪的一般性能优于进口的 C 测厚仪。 9 / 9 5.05.0 总结总结 本文重点介绍了 MRI-Y07A 铜厚测量仪研制过程中的技术要点。由于该设备在设计 中采用了三点定标法，高稳定恒流源测量电路，高速数据采集卡，也综合了 200ms 防抖 控制，自动触发测量等方案，同时又采用了针对 HDI 板特点设计的 MRP-5 专利探头和先 进的软件设计，加快了测量速度，又保证了测量精度，各项性能已经可以达到甚至部分 指标超过了进口测厚仪水准。 目前该测厚仪已在美维集团内推广使用，完全可以满足 PCB 加工制成对铜厚测量的 需要，生产线的使用反馈也非常良好。 _ 参考文献 1 http: //ee143/Four-Point_Probe/ 2 Andrew P. Schuetze, Wayne Lewis, Chris Brown, and Wihelmus J. Geerts, “A Laboratory on the four-point probe technique”, Am. J. Phys. 72 (2), February 2004 3 Smits, F. M., Measurements of Sheet Resistivity with the Four-Point Probe, BSTJ, 37, p. 711 (1958) 4 A. Tunwannarux, S. Hirunyaphisutthikul, “Design of copper laminate thickness measuring equipment”, P 137 - 142 vol.1, Communica