Paper Code: A-034

陳世金 羅 旭 覃 新 喬鵬程

博敏電子股份有限公司

AOR在印制電路板制造中的應(yīng)用與研究

Paper Code: A-034

陳世金 羅 旭 覃 新 喬鵬程

博敏電子股份有限公司

AOR技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用于電路板制造中的最新技術(shù)之一，文章主要講述了AOR設(shè)備的工作原理、操作程序及影響該技術(shù)的因素等內(nèi)容。

印制電路板；AOR；多銅；缺陷；人工修理；精確度

1 前言

隨著iPad3和iPhone 4S等時(shí)尚消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，這給PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）行業(yè)帶來(lái)更多的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，使PCB逐漸向更小型化、輕型化和高密度化方向發(fā)展。近年來(lái)，尤其是HDI、IC載板類(lèi)產(chǎn)品的線(xiàn)路布局由“精細(xì)化”逐漸“超精細(xì)化”和“甚高密度”[1]方向發(fā)展，趨于逼近PCB技術(shù)的“極限”。這就要求我們PCB的制作技術(shù)、設(shè)備和檢修手段等不斷提升或改進(jìn)，如Any Layer類(lèi)HDI產(chǎn)品使用我們常規(guī)的制造設(shè)備、技術(shù)和檢修手段是無(wú)法保證較高良率的，特別是密集線(xiàn)路修理方面其可操作性都受到了一定的制約。因此，類(lèi)似AEI（Automated Electrical Inspection，自動(dòng)電氣檢測(cè)）、AOR（Automated Optical Repair，自動(dòng)光學(xué)維修）和最終外觀檢查機(jī)等先進(jìn)的檢測(cè)、維修設(shè)備逐漸出現(xiàn)了，這將會(huì)極大地促進(jìn)PCB自動(dòng)化水平的提升。同時(shí)，也是PCB行業(yè)解決長(zhǎng)期發(fā)展問(wèn)題的必然選擇。

據(jù)筆者所知，AOR設(shè)備目前在市面上僅Orbotech公司獨(dú)此一家銷(xiāo)售，奧寶科技PCB事業(yè)部總裁Richard Klapholz表示，AOR 技術(shù)正大力推動(dòng)PCB產(chǎn)業(yè)朝著實(shí)現(xiàn)零報(bào)廢的生產(chǎn)目標(biāo)前進(jìn)[2]。AOR設(shè)備外形上與AOI（Automated Optical Inspection，自動(dòng)光學(xué)檢查）相似，可以與AOI設(shè)備連在一起，但是AOR主要是針對(duì)線(xiàn)路板的各類(lèi)短路和銅渣等進(jìn)行修理，以克服人工維修的局限，可以減少電路板的報(bào)廢、節(jié)約成本。我們知道，人工修理線(xiàn)路板的殘銅、凸銅和多銅等引起短路的歷程有好幾十年之久，可以說(shuō)它是伴隨PCB的制造而來(lái)的。但是，由于人工修理確實(shí)是存在一定的局限性和次貸危害，如無(wú)法實(shí)現(xiàn)75 μm以下線(xiàn)路的修理，不可行也不經(jīng)濟(jì)；修理會(huì)損傷相鄰的線(xiàn)路或積層；拐角線(xiàn)路處、大面積和薄基材的殘銅短路基本都無(wú)法進(jìn)行人工修理（可參見(jiàn)圖1）。另外，人工修理對(duì)操作人員的技能要求較高，不熟練極易出現(xiàn)好線(xiàn)路修壞（開(kāi)路）和碎銅屑短路等問(wèn)題。

圖1 人工無(wú)法修理的線(xiàn)路類(lèi)型

因此，將AOR引進(jìn)PCB制造中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和量產(chǎn)化作業(yè)，將會(huì)是PCB領(lǐng)域的一個(gè)非凡性突破，具有十分重要的意義。對(duì)殘銅類(lèi)短路是一個(gè)革命性的解決方案，也讓精細(xì)線(xiàn)路的修理得以實(shí)現(xiàn)。掌握并利用好AOR技術(shù)將成為今后PCB制造提升產(chǎn)品良率的一大法寶，也是企業(yè)減少成本浪費(fèi)、提升競(jìng)爭(zhēng)力的有效方法之一。

2 工作原理

AOR其構(gòu)造相對(duì)于AOI來(lái)說(shuō)要復(fù)雜的多，但是其主要原理仍是激光切割技術(shù)的運(yùn)用。它是利用從激光發(fā)生器發(fā)射出來(lái)的激光束，經(jīng)過(guò)外電路系統(tǒng)，聚焦成高功率密度的激光束照射條件，能量以光的形式形成集中成一條高密度的光束，光束傳遞到工作表面，產(chǎn)生足夠的熱量時(shí)銅材熔化，加之與光束同軸的高壓氣體直接除去熔融金屬，從而達(dá)到切割的目的[3]。圖2為AOR的主要工作部件的結(jié)構(gòu)：

圖2 AOR主要部件的內(nèi)部構(gòu)造

Orbotech的AOR修復(fù)是采用其專(zhuān)利未決的最新技術(shù)——CLR Technology （Closed Loop Repair閉環(huán)修復(fù)技術(shù)），該技術(shù)可分為三步進(jìn)行：圖像采集、圖像處理和激光切割，可達(dá)到修復(fù)精確、可重復(fù)性操作和高可靠性的效果。AOR首先會(huì)獲取有缺陷的PCB板子信息（來(lái)自AOI），然后進(jìn)行圖像處理（與CAM資料對(duì)比），再選取有短路的點(diǎn)或區(qū)域進(jìn)行激光燒蝕，燒蝕的過(guò)程中有會(huì)反復(fù)進(jìn)行圖像獲取和圖像對(duì)比，直至滿(mǎn)足CAM資料一樣的要求，最后得到?jīng)]有缺陷的PCB板子，可參見(jiàn)圖3。

圖3 CLR Technology（閉環(huán)修復(fù)技術(shù)）

2.1 圖像采集（Image Acquisition）

圖像獲取是利用CCD攝像把物體的表面信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入攝像采集卡，即將圖像數(shù)字化送入計(jì)算機(jī)的過(guò)程。一般在維修短路之前是先要經(jīng)過(guò)AOI檢測(cè)，已將短路處標(biāo)示出來(lái)，然后將AOI系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)與AOR設(shè)備相連，只要是標(biāo)示過(guò)的代碼（如“0”或“1”），則在AOR處即可自動(dòng)查找到需要修理的地方。

2.2 圖像處理（Image Processing）

圖像處理實(shí)際就是一個(gè)對(duì)比的過(guò)程，即將采集到或修復(fù)過(guò)的圖像與CAM里的圖像進(jìn)行比較，確定那個(gè)地方是多銅（短路）的。如采用的是自動(dòng)修復(fù)模式，則只需做好參數(shù)設(shè)定和目標(biāo)定位等工作，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修復(fù)。但是這種模式比較費(fèi)時(shí)，花費(fèi)時(shí)間多，除非是大面積或大區(qū)域的短路情況較多。一般采用與AOI等檢測(cè)相設(shè)備連的情況比較常見(jiàn)，可快速而準(zhǔn)確地將板面的短路修復(fù)。

2.3 激光切除（Laser Ablation）

通過(guò)圖像比較后，可設(shè)置激光切割的參數(shù)，主要包括板材類(lèi)型、銅層厚度、蝕刻值等。切割的時(shí)候由于采用不同的激光束，配合可調(diào)整的激光強(qiáng)弱的控制系統(tǒng)，可以到達(dá)準(zhǔn)確的修復(fù)效果。利用不同激光束對(duì)金屬銅、基材的吸收率和反射率來(lái)達(dá)到燒蝕銅層的目的，當(dāng)激光遇到基材的時(shí)候就會(huì)立即停止燒蝕。燒蝕后的銅會(huì)在附近或基材上留下黑色殘留物，再通過(guò)能量微弱的激光進(jìn)行“掃除”，即可保證原來(lái)修復(fù)的部位干凈如初。激光切割過(guò)程的圖片可參見(jiàn)圖4：

圖4 AOR激光修理（切割）的過(guò)程

3 操作流程

AOR系統(tǒng)涉及到光學(xué)、功能學(xué)等多方面學(xué)科，其操作流程大體可分為啟動(dòng)AOR系統(tǒng)、系統(tǒng)初始化、量產(chǎn)前程式和量產(chǎn)程式等幾個(gè)部分。下面以O(shè)rbotech公司PerFix 200型號(hào)的AOR設(shè)備為例簡(jiǎn)單介紹一下其操作流程（如圖5）。

3.1 啟動(dòng)AOR及系統(tǒng)初始化

打開(kāi)AOR主開(kāi)關(guān)，并檢查三個(gè)緊急按鈕有無(wú)鎖上，待系統(tǒng)啟動(dòng)后輸入用戶(hù)名和密碼，然后啟動(dòng)AOR應(yīng)用程式。待應(yīng)用程式啟動(dòng)后，即開(kāi)始系統(tǒng)初始化過(guò)程，一般可在五分鐘內(nèi)完成，待桌面出現(xiàn)應(yīng)用程式圖標(biāo)時(shí)，雙擊圖標(biāo)，再輸入用戶(hù)名和口令按“start”即可打開(kāi)應(yīng)用程式。這個(gè)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，在此不作詳述。

3.2 量產(chǎn)前模式

量產(chǎn)前模式包括有打開(kāi)料號(hào)、參數(shù)設(shè)定、對(duì)位和校正對(duì)位目標(biāo)等幾個(gè)步驟：

3.2.1 打開(kāi)料號(hào)

系統(tǒng)初始化后，從數(shù)據(jù)庫(kù)打開(kāi)現(xiàn)有的批號(hào)，轉(zhuǎn)到Job（料號(hào)）打開(kāi)Open Lot（打開(kāi)批號(hào)），選擇Job（料號(hào)）、Layer（層別）、Stage（程式）、Lot（批號(hào)）、Machine_id（機(jī)器編號(hào)）、Serial_number（板子序號(hào)）等信息。然后Filter（濾除）字段允許根據(jù)批號(hào)名稱(chēng)或批號(hào)名稱(chēng)的一部分搜索批號(hào)，單擊Open（打開(kāi)）指定一個(gè)序號(hào)，選擇好序號(hào)后，屏幕的右側(cè)會(huì)顯示CAM圖像。

圖5 AOR操作流程圖

3.2.2 參數(shù)確認(rèn)

打開(kāi)批號(hào)后，所選序號(hào)的缺陷會(huì)顯示在料號(hào)布局中，選擇General Parameters（一般參數(shù)）按鈕，必須在General （一般）畫(huà)面中更新AOR機(jī)器的兩個(gè)主要參數(shù)（材質(zhì)和板厚），以進(jìn)行準(zhǔn)確的處理和維修。需要注意的是更新參數(shù)后必須保存料號(hào)，這樣下次打開(kāi)此料號(hào)時(shí)即可用這些參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和維修，每次更新蝕刻值后，必須Steps_Learn才能使新的蝕刻因子生效。

3.2.3 設(shè)置板面位置參數(shù)

這里包括設(shè)置VRS對(duì)位目標(biāo)和紫晶光校正位置對(duì)位目標(biāo)。設(shè)置VRS對(duì)位目標(biāo)是先在板面邊框內(nèi)的一角選擇一個(gè)對(duì)位目標(biāo)（最好從左下角開(kāi)始），分別單擊VRS1、VRS2和VRS3按鈕，將光標(biāo)移動(dòng)到需要的左下、左上和右上三個(gè)坐標(biāo)區(qū)，然后再次單擊以安置對(duì)位目標(biāo)。如果之前其他用戶(hù)設(shè)定了板面對(duì)位目標(biāo)，就可以重置或保留它們。更新的對(duì)位目標(biāo)對(duì)自動(dòng)驗(yàn)證和維修的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

而設(shè)置紫晶光校正位置對(duì)位目標(biāo)須先選擇一個(gè)代表線(xiàn)路板的對(duì)位目標(biāo)（包含銅和基板的混合區(qū)域），用于在光校正過(guò)程中進(jìn)行正確的拉伸。對(duì)位目標(biāo)參數(shù)設(shè)置階段現(xiàn)已完成。則單擊右選項(xiàng)卡滾動(dòng)箭頭設(shè)置Repair Params。設(shè)置Repair Params時(shí)，還可以對(duì)加載的特定層設(shè)置正確的Copper Thickness（銅厚）。軸線(xiàn)將根據(jù)Target and Orientation（板面位置）畫(huà)面中的定義移動(dòng)到第一個(gè)VRS對(duì)位點(diǎn)的X和Y坐標(biāo)。與此同時(shí)，如果已完成對(duì)焦，光學(xué)頭Z馬達(dá)將移動(dòng)到計(jì)算的厚度，如果未完成對(duì)焦，則移動(dòng)到定義的厚度，在第 1 個(gè)對(duì)位點(diǎn)上完成自動(dòng)圖像掃描。

在此之后其實(shí)還有一個(gè)對(duì)位過(guò)程，即在參考 CAM 圖像（黃色）的上方對(duì)準(zhǔn)獲取的實(shí)際掃描圖像（綠色），對(duì)第一個(gè)對(duì)位目標(biāo)進(jìn)行對(duì)焦并對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)圖像的位置后，按Align（對(duì)位）按鈕。然后軸移動(dòng)到下一個(gè)對(duì)位目標(biāo)，完成第二個(gè)目標(biāo)的自動(dòng)圖像掃描。

3.3 量產(chǎn)模式

量產(chǎn)模式主要包括驗(yàn)證和維修兩個(gè)過(guò)程。按Batch Mode（量產(chǎn)模式）按鈕打開(kāi)量產(chǎn)畫(huà)面，從Batch Set（設(shè)定量產(chǎn)）字段中選擇：Repair/Repair_by_ Demand，設(shè)定好Machine Name(機(jī)器名稱(chēng))和選擇好Serial Number(序列號(hào))，按Start（開(kāi)始）按鈕，此時(shí)彈出一個(gè)窗口，然后點(diǎn)擊Re process（前處理）按鈕和Repair（自動(dòng)維修）按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)執(zhí)行循環(huán)，直到缺點(diǎn)消失后停止。完成所有的維修后，即可退出量產(chǎn)。

在這里需要說(shuō)明一下，量產(chǎn)模式分為自動(dòng)維修和按照自己的需求來(lái)維修兩種。Orbotech所說(shuō)的CLR技術(shù)可重復(fù)的自動(dòng)閉環(huán)激光燒蝕，具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。而最新提出的UA（Universal Access全面整合）模式功能，則又是一大創(chuàng)舉，可實(shí)現(xiàn)Orbotech產(chǎn)品及Orbotech之外所有的AOI設(shè)備檢測(cè)出的各類(lèi)短路修復(fù)。

4 影響因素

任何一個(gè)工具都是完美無(wú)缺的，AOR也不例外，不能完全排除對(duì)其修復(fù)效果產(chǎn)生影響的因素。影響AOR修復(fù)效果的主要因素有光源系統(tǒng)、板材、銅厚及銅面質(zhì)量等，要達(dá)到完美的修復(fù)效果就必須對(duì)這幾個(gè)問(wèn)題加以重視。

4.1 光源系統(tǒng)

激光的光源系統(tǒng)是影響修復(fù)效果的一個(gè)重要因素，不同的光源系統(tǒng)具有不同的光學(xué)特性，只有當(dāng)光束的偏振方向平行于切割方向是，材料（這里指銅）對(duì)光的吸收最好。實(shí)際切割時(shí)采用圓偏振鏡，以獲得各方向?qū)挾绕叫校街钡那锌p。因此，光源系統(tǒng)的選擇與維護(hù)是十分重要的，它會(huì)直接影響到最終的修復(fù)效果。設(shè)備商通過(guò)利用強(qiáng)有力的技術(shù)力量投入和光源系統(tǒng)的選擇是可以實(shí)現(xiàn)AOR修復(fù)準(zhǔn)確性、和高效率的提升目的。

4.2 板材

我們可以通過(guò)PerFix 200型號(hào)的AOR技術(shù)規(guī)格表（表1）來(lái)看一下它對(duì)板材的要求：不同的板材具有不同的顏色、厚度、聚合物、填料類(lèi)型等，經(jīng)緯線(xiàn)的分布和排列也存在一定的差異，其玻纖材質(zhì)對(duì)紫外光的吸收率和反射率都是不同的，完全做到避免激光對(duì)基板材料不產(chǎn)生影響是不可能實(shí)現(xiàn)的。激光對(duì)不同類(lèi)型的板材都或多或少會(huì)造成一定的傷害，只是某些板材對(duì)激光的吸收和反射敏感度強(qiáng)，而有些又要弱一些。目前據(jù)Orbotech對(duì)各類(lèi)不同板材的研究，發(fā)現(xiàn)出如下規(guī)律（參見(jiàn)圖6）。

4.3 銅面厚度及質(zhì)量

線(xiàn)路板的線(xiàn)路銅面厚度越厚，所需修復(fù)面積越大，則需要的激光能量則越大，需要燒蝕的時(shí)間也就越長(zhǎng)，對(duì)某點(diǎn)某處的燒蝕時(shí)間越長(zhǎng)，就會(huì)影響到最終的修復(fù)效果。另外，如果所修復(fù)的區(qū)域銅面氧化、有臟污等，就必然會(huì)影響對(duì)激光的吸收，甚至?xí)霈F(xiàn)漏修或“拒修”等問(wèn)題。針對(duì)這一點(diǎn)，我們要求檢測(cè)后的板子待修復(fù)的停放時(shí)間不易過(guò)久，一般控制在6小時(shí)內(nèi)完成修理。

5 結(jié)語(yǔ)

由于我們對(duì)AOR設(shè)備和技術(shù)的了解有限，有些方面可能還沒(méi)有談及到，或是講解不夠清晰，還望大家給予諒解和指正。但是，我們會(huì)繼續(xù)致力于AOR技術(shù)的運(yùn)用和研究，不斷提高我們PCB板子的修復(fù)效果，達(dá)到減少報(bào)廢和提升競(jìng)爭(zhēng)力的目的。當(dāng)前Orbotech對(duì)AOR技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究投入了大量的人力、物力資源，力爭(zhēng)將這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用進(jìn)一步推廣和完善。如將該項(xiàng)技術(shù)使用到電測(cè)后的短路修復(fù)、電鍍后孔內(nèi)殘銅的修復(fù)、conformal mask或large window工藝中漏開(kāi)窗的修復(fù)等，這具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。

[1] 吳梅珠 林金堵 LDI和噴印技術(shù)上解決“甚高密度”P(pán)CB的最佳出路[J]．印制電路信息,2011,11:18-21.

[2] PCB百能網(wǎng) 奧寶推出最新自動(dòng)光學(xué)修復(fù)系統(tǒng)[J].2011,11,17.

[3] 畢玉春 汪小峰 淺談激光切割技術(shù)[J]中國(guó)水運(yùn),2007,4:194-195.

[4]Orbotech AOR Application Training Revision A. Nov.2008 & AOR Basic Training Version 1.0.May,2008.

Research and application of aor for PCB manufacturing

CHEN Shi-jin LUO Xu TAN Xin QIAO Peng-cheng

Nowadays, the AOR is one of the newest technologies, witch is used for PCB manufacturing.This paper mainly introduced the working principle, the operating procedures and the inf l uence factors of AOR.

PCB; Automated Optical Repair; Excess Copper; Short; Manual Repair; Accuracy

TN41 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

1009-0096（2012）增刊-0470-06

陳世金，技術(shù)中心研發(fā)部高級(jí)工程師，主要從事新技術(shù)研究及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，Tel：0753-2329902，E-mail：sj1_chen@bominelec.com。