埋嵌式元件共面度測量方法研究（一）

1 背景

隨著(zhù)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(lái)越大，體積越來(lái)越小，如何尋求和優(yōu)化最佳散熱方法及其結構設計，成為當今電子工業(yè)設計的一個(gè)巨大的挑戰。有研究表明，電子元器件工作溫度在(70~80)℃范圍內每升高1 ℃，其可靠性將下降5%.因此對于PCB行業(yè)來(lái)說(shuō)，開(kāi)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(wèn)世了第一代的散熱基板產(chǎn)品“HITTv[g”(HITT板塊散熱)。目前PCB市場(chǎng)上出現的超厚銅箔板材、導熱板材、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)的結晶。

所謂埋嵌金屬塊板(圖1)，是在PCB板上對應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(hù)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(guò)金屬塊傳導到PCB另外一側的專(zhuān)用散熱器件上，從而有效降低元器件和PCB工作溫度，提高設備使用壽命?？梢?jiàn)，包含埋嵌式器件的PCB技術(shù)的開(kāi)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)相對常規金屬基板又節省了成本，是一項前途光明的先進(jìn)技術(shù)。

共面度(Coplanarity)是表征諸多被測對象與樣品基準面之間的偏移量的指標，對于PCB行業(yè)而言，更為常見(jiàn)的類(lèi)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別和相似點(diǎn)分析如表1 所示。

由表1可見(jiàn)，對于常規PCB而言，翹曲度是關(guān)鍵指標。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)際狀況相對理想狀態(tài)的變動(dòng)量。

由于客戶(hù)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，則容易缺錫膏導致功率器件或散熱器件焊接不牢，或錫膏過(guò)多導致高功率元器件短路。因此在埋嵌元件PCB制作過(guò)程中，必須嚴格控制和監測埋嵌元件與PCB的共面度。

2 現狀分析

當前PCB行業(yè)內對埋嵌元件共面度的測量方法沒(méi)有統一和明確的規范，但在PCBA貼裝和焊接過(guò)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(gè)測量共面度過(guò)程中的關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)：

(1)共面度：反映諸多被測對象與樣品基準面之間的偏移量。

(2)共面度偏移量：被測對象與樣品基準面之間的距離。

(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(lái)說(shuō)，三棱鏡法可以測量樣品五個(gè)表面所有被測點(diǎn)與基準面之間的距離，而投影法僅可測量樣品投影表面(1個(gè)表面)被測點(diǎn)與基準面之間的距離。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(zhuān)用的三維掃描測量?jì)x器，且行業(yè)內還沒(méi)有成熟的將其用于測量PCB內埋嵌元件共面度的經(jīng)驗。因此，開(kāi)發(fā)和完善對于PCB內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、三維坐標儀測量法、三維影像測量法以及接觸式三維坐標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(diǎn)、測量效率等如下。

3.1 切片分析法

切片分析法是一種常規的檢查PCB內部結構或缺陷的合規性判斷方法。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(lái)制成樣片，經(jīng)過(guò)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(shí)較長(cháng)，所能檢查的點(diǎn)有限，但其測量結果直觀(guān)(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 三維坐標測量法

公司三維坐標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(shí)所處的坐標(包含X、Y、Z軸坐標)。計算各測量點(diǎn)的Z軸坐標之差，則可得到被測樣品表面的共面度值。結合埋嵌式產(chǎn)品特點(diǎn)以及公司現有設備能力現狀，開(kāi)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。

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