錫膏測厚儀的計量現(xiàn)狀和解決方法

劉娟 梅嘯 席晶晶 黃紅平 王稚源 朱自俊 衛(wèi)宇星 / .蘇州工業(yè)園區(qū)服務外包職業(yè)學院；.蘇州市計量測試院

0 引言

近年，微電子封裝的密度越來越大，焊接引腳的間距越來越小，對表面組裝技術（SMT）提出的要求越來越高。要實現(xiàn)小間距下焊接，并且保證焊點的可靠性，其中重要的環(huán)節(jié)是監(jiān)測錫膏的印刷質量，錫膏印刷質量是制約半導體技術發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。錫膏厚度是判斷焊接點質量及可靠性的一個重要指標，錫膏厚度偏薄焊接強度不夠，會導致零件引腳與印制電路板（PCB）連接不夠牢固，從而影響后續(xù)使用過程中的可靠度；錫膏厚度偏薄情況嚴重會導致虛焊、空焊；若錫膏厚度偏厚，會造成零件貼裝后引腳間短路，從而產(chǎn)生功能性的問題[1]。為了保證檢測準確，必須對錫膏印刷質量進行檢測，只有符合要求的錫膏才能達到生產(chǎn)標準。錫膏測厚儀是檢測錫膏印刷質量及其可靠性的重要檢測設備，因此，錫膏測厚儀（測量范圍≤600 μm）測量結果的準確與否，是檢驗錫膏印刷質量的關鍵因素。中國已成為全球最大PCB生產(chǎn)國，且大陸地區(qū)在2019年到2023年，PCB產(chǎn)值將保持4.4%的復合增長率，超過日本、美國，在2023年產(chǎn)值將達到405億美元。長三角和珠三角兩個地區(qū)的PCB產(chǎn)值占中國大陸總產(chǎn)值的90%左右，因此，錫膏測厚儀的計量校準存在巨大的市場。

1 工作原理

錫膏測厚儀是一種利用激光二維或三維掃描技術，測量印刷在PCB上的錫膏厚度分布的儀器。其測量原理是非接觸式激光測厚儀由專用的激光器產(chǎn)生很細的線型光束，以一定的傾角投射到待測量目標上。由于被測樣品與周圍基板存在高度差，此時觀測到的被測樣品和基板上的激光束相應出現(xiàn)斷層落差。根據(jù)三角函數(shù)關系，可以用觀測到的落差計算出被測樣品與周圍基板存在的高度差，從而實現(xiàn)非接觸式的快速測量。該過程中，需要被測樣品表面形成漫反射。

圖1 市場上常用的錫膏測厚儀

2 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

近年來，半導體集成電路、先進制造等產(chǎn)業(yè)領域迅速發(fā)展，微納幾何尺寸的高準確度測量需求越來越迫切，尺寸范圍從納米到數(shù)百微米。為了滿足這些需求，諸如錫膏測厚儀等常用的非接觸式表面形貌測量儀器得到廣泛應用，以獲得樣品的表面輪廓和高度。為準確評價錫膏測厚儀的計量性能，保證尺寸測量結果的準確可靠，需要對此類設備進行校準。目前，江蘇省頒布JJF(蘇) 191-2017《錫膏測厚儀校準規(guī)范》是針對錫膏測厚儀校準的計量技術法規(guī)，用于評價和管控錫膏印刷質量，提供了計量技術保障。

目前，市場上常用的標準器選用的是研和在平面平晶上組成特定高度差來的金屬量塊開展校準工作，但在實際操作中，經(jīng)常無法識別高度差或高度差測量數(shù)據(jù)偏差嚴重，這主要是由于金屬量塊表面精密加工呈現(xiàn)鏡面，導致電荷耦合器件（CCD）無法觀測到激光束或觀測到的光亮度很低，無法在計算機上成像（圖2）。有些儀器由于程序設定，無法測量單邊臺階，只能測量兩邊低中間凸出的臺階。由于金屬量塊和平面平晶研合的厚度較高，部分儀器調整距離有限，導致在極限位置不能聚焦，因此，無法開展校準工作[2]。此外，由于測量儀器使用環(huán)境比較復雜，且標準器為金屬材質，長期使用后表面難免生銹，影響測量結果的準確性。因此，研制符合校準規(guī)范且市場應用范圍廣的標準器顯得尤為迫切。

圖2 激光在錫膏和量塊表面成像對比

3 標準器

3.1 結構

通過廣泛調研市場上常用的錫膏測厚儀，結合錫膏測厚儀的工作原理，且需要觀測到的被測樣品和基板上的激光束形成出現(xiàn)的斷層落差，為滿足大部分市場需求，設計的標準器包含基座、臺階和防護層（圖3），具體參數(shù)見表1。此處基座的形狀可以是圓柱或者長方體，其高度范圍控制在20～50 mm，臺階高度20～400 μm，符合市場上絕大部分錫膏測厚儀等非接觸式測量儀的測量范圍，確保聚焦。為了滿足錫膏測厚儀多參數(shù)高度的校準需求，可以在基座的一側設計多個不同高度的臺階，大大提高校準的工作效率。防護層是一層黑色的磷化膜，使標準器的表面具有漫反射表面特征，確保能夠被CCD捕捉到信號，在計算機上成像。

圖3 標準器結構

表1 標準器的結構設計參數(shù)

3.2 材質的選擇

結合材料的熱膨脹系數(shù)、加工工藝成熟度等多方面因素，選擇Cr12鋼作為基座和臺階加工材料，該材料具有較好的淬透性、耐磨性、熱加工性，被廣泛應用于計量校準標準器的制作中，熱處理后強韌性能得到較大提高，使樣板標準器的使用壽命延長，穩(wěn)定性好。

3.3 加工工藝的選擇

通過粗切割初步獲得相應尺寸的基座，在基座的側面切割獲得相應的臺階結構，然后進行熱處理，高溫淬火1 100～1 150 ℃，低溫淬火960～1 050 ℃，回火550～650 ℃，進一步提高材料的硬度，再用高精度磨床精加工，加工時保證每個臺階的測量面平面度、平行度達到計量校準要求。針對金屬量塊標準器表面不能形成漫反射導致無法成像的問題，采用黑色磷化工藝，在基座和臺階表面形成一層黑色的磷化膜，使其具有漫反射表面特征，同時滿足激光非接觸式和其他類型掃描形式測量儀器的校準需求。形成的黑色磷化膜防護層能夠減少環(huán)境溫濕度變化對樣板的腐蝕，確保校準測量結果的準確性。

圖4 加工工藝流程

3.4 標準器的校準實驗

為保證標準器量值準確及可溯源，需要分別對標準器的臺階高度、表面粗糙度、平面度和平行度進行量值標定[3]，具體計量參數(shù)范圍要求見表2。采用超高精度三坐標測量機對標準器不同高度的臺階進行量值標定[4-6]。機械加工后的標準器臺階塊的表面在加工過程中不可避免地受到工件表面與加工儀器工具的摩擦、碰撞等因素的影響，留下了不同程度的劃痕或壓痕，影響了臺階高度的準確度，因此，需要對微觀表面粗糙度進行評價。微觀表面粗糙度可以用干涉顯微鏡等在臺階測量面取不少于3個測量位置，每個位置測量10次取平均值。平面度測量是指被測樣品實際表面對其理想平面的變動量，用光學平晶的工作面作為理想平面，被測樣品實際表面與理想平面進行比較，直接以干涉條紋的彎曲程度確定被測樣品實際表面的平面度誤差值。平行度是指兩個平面或直線平行的程度，以基座的測量面為基準，臺階的測量面相對基準在同一方向上允許的變動全量。用三坐標測量機等取不少于3個測量位置，基于最小二乘法、遺傳算法對平行度誤差進行評定，確保不同位置臺階高度均勻性，減小在臺階測量面上不同位置測出的臺階高度的測量誤差。

表2 標準器的計量參數(shù)范圍

4 測量儀器的校準

用標定過的標準器來校準非接觸式表面形貌測量儀器，在覆蓋被校儀器量程的范圍內(nèi)選擇3至5點作為測量點，選取相應高度值的標準器臺階塊。在每個標準器臺階塊有效區(qū)域內(nèi)，分別在同一測量區(qū)域相鄰位置處重復測量10次并記錄儀器示值，示值平均值為測量結果，從而得到厚度測量示值誤差，確保其量值可溯源。

5 測量不確定度評定

5.1 測量模型

臺階高度的示值誤差?x=-x0

式中：Δx——示值誤差；

x0——標準器上臺階高度的校準值

5.2 臺階高度測量示值誤差不確定度的來源及評定

5.2.1 超高精度三坐標測量機引入的不確定度分量u1

超高精度三坐標測量機的擴展不確定度U為0.50 μm，k= 2，因此，由超高精度三坐標測量機引入的不確定度分量為

5.2.2 測量重復性引入的標準不確定度分量u2,采用A類評定方法。

重復測量10次，示值分別為104.204 μm，105.266 μm，105.186 μm，104.086 μm，105.685 μm，105.580 μm，104.702 μm，105.291 μm，104.202 μm，105.701 μm。計算得到實驗標準偏差：

校準結果取10次測量的平均值，故測量重復性引入的標準不確定分量為：

5.2.3 溫度測量引入的不確定度u3

室內(nèi)溫度（20±0.5） ℃，Cr12鋼的熱膨脹系數(shù)較低，由熱變形引入的不確定度可以忽略。

5.2.4 合成標準不確定度計算

以上各項標準不確定度分量互不相關，所以臺階高度合成標準不確定度：

擴展不確定度為

6 結語

通過研制校準用標準器符合現(xiàn)有校準規(guī)范的要求，解決了半導體封裝過程中檢測錫膏厚度用的錫膏測厚儀標準器缺失的問題，為錫膏印刷質量的準確檢測提供了質量保障，可大大降低半導體產(chǎn)品的不良率，減少企業(yè)的虧損。該標準器可廣泛用于半導體生產(chǎn)制造、微納加工和測量相關的研究和生產(chǎn)領域，為相關企業(yè)提供計量技術支撐。