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等時尚消費類電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，這給PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）行業(yè)帶來更多的發(fā)展機遇和挑戰(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，尤其是HDI、IC載板類產(chǎn)品的線路布局由“精細化”逐漸“超精細化”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，如Any Layer類HDI產(chǎn)品使用我們常規(guī)的制造設(shè)備、技術(shù)和檢修手段是無法保證較高良率的，特別是密集線路修理方面其可操作性都受到了一定的制約。因此，類似AEI（Automated Electrical Inspection，自動電氣檢測）、AOR（Automated Optical Repair，自動光學(xué)維修）和最終外觀檢查機等先進的檢測、維修設(shè)備逐漸出現(xiàn)了，這將會極大地促進PCB自動化水平的提升。同時，也是PCB行業(yè)解決長期發(fā)展問題的必然選擇。

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

圖1 人工無法修理的線路類型

因此，將AOR引進PCB制造中，實現(xiàn)自動化和量產(chǎn)化作業(yè)，將會是PCB領(lǐng)域的一個非凡性突破，具有十分重要的意義。對殘銅類短路是一個革命性的解決方案，也讓精細線路的修理得以實現(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、提升競爭力的有效方法之一。

2 工作原理

AOR其構(gòu)造相對于AOI來說要復(fù)雜的多，但是其主要原理仍是激光切割技術(shù)的運用。它是利用從激光發(fā)生器發(fā)射出來的激光束，經(jīng)過外電路系統(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)可分為三步進行：圖像采集、圖像處理和激光切割，可達到修復(fù)精確、可重復(fù)性操作和高可靠性的效果。AOR首先會獲取有缺陷的PCB板子信息（來自AOI），然后進行圖像處理（與CAM資料對比），再選取有短路的點或區(qū)域進行激光燒蝕，燒蝕的過程中有會反復(fù)進行圖像獲取和圖像對比，直至滿足CAM資料一樣的要求，最后得到?jīng)]有缺陷的PCB板子，可參見圖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轉(zhuǎn)換成電信號送入攝像采集卡，即將圖像數(shù)字化送入計算機的過程。一般在維修短路之前是先要經(jīng)過AOI檢測，已將短路處標示出來，然后將AOI系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)與AOR設(shè)備相連，只要是標示過的代碼（如“0”或“1”），則在AOR處即可自動查找到需要修理的地方。

2.2 圖像處理（Image Processing）

圖像處理實際就是一個對比的過程，即將采集到或修復(fù)過的圖像與CAM里的圖像進行比較，確定那個地方是多銅（短路）的。如采用的是自動修復(fù)模式，則只需做好參數(shù)設(shè)定和目標定位等工作，即可實現(xiàn)自動修復(fù)。但是這種模式比較費時，花費時間多，除非是大面積或大區(qū)域的短路情況較多。一般采用與AOI等檢測相設(shè)備連的情況比較常見，可快速而準確地將板面的短路修復(fù)。

2.3 激光切除（Laser Ablation）

通過圖像比較后，可設(shè)置激光切割的參數(shù)，主要包括板材類型、銅層厚度、蝕刻值等。切割的時候由于采用不同的激光束，配合可調(diào)整的激光強弱的控制系統(tǒng)，可以到達準確的修復(fù)效果。利用不同激光束對金屬銅、基材的吸收率和反射率來達到燒蝕銅層的目的，當激光遇到基材的時候就會立即停止燒蝕。燒蝕后的銅會在附近或基材上留下黑色殘留物，再通過能量微弱的激光進行“掃除”，即可保證原來修復(fù)的部位干凈如初。激光切割過程的圖片可參見圖4：

圖4 AOR激光修理（切割）的過程

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)程式等幾個部分。下面以O(shè)rbotech公司PerFix 200型號的AOR設(shè)備為例簡單介紹一下其操作流程（如圖5）。

3.1 啟動AOR及系統(tǒng)初始化

打開AOR主開關(guān)，并檢查三個緊急按鈕有無鎖上，待系統(tǒng)啟動后輸入用戶名和密碼，然后啟動AOR應(yīng)用程式。待應(yīng)用程式啟動后，即開始系統(tǒng)初始化過程，一般可在五分鐘內(nèi)完成，待桌面出現(xiàn)應(yīng)用程式圖標時，雙擊圖標，再輸入用戶名和口令按“start”即可打開應(yīng)用程式。這個操作相對簡單，在此不作詳述。

3.2 量產(chǎn)前模式

量產(chǎn)前模式包括有打開料號、參數(shù)設(shè)定、對位和校正對位目標等幾個步驟：

3.2.1 打開料號

系統(tǒng)初始化后，從數(shù)據(jù)庫打開現(xiàn)有的批號，轉(zhuǎn)到Job（料號）打開Open Lot（打開批號），選擇Job（料號）、Layer（層別）、Stage（程式）、Lot（批號）、Machine_id（機器編號）、Serial_number（板子序號）等信息。然后Filter（濾除）字段允許根據(jù)批號名稱或批號名稱的一部分搜索批號，單擊Open（打開）指定一個序號，選擇好序號后，屏幕的右側(cè)會顯示CAM圖像。

圖5 AOR操作流程圖

3.2.2 參數(shù)確認

打開批號后，所選序號的缺陷會顯示在料號布局中，選擇General Parameters（一般參數(shù)）按鈕，必須在General （一般）畫面中更新AOR機器的兩個主要參數(shù)（材質(zhì)和板厚），以進行準確的處理和維修。需要注意的是更新參數(shù)后必須保存料號，這樣下次打開此料號時即可用這些參數(shù)進行驗證和維修，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對位目標和紫晶光校正位置對位目標。設(shè)置VRS對位目標是先在板面邊框內(nèi)的一角選擇一個對位目標（最好從左下角開始），分別單擊VRS1、VRS2和VRS3按鈕，將光標移動到需要的左下、左上和右上三個坐標區(qū)，然后再次單擊以安置對位目標。如果之前其他用戶設(shè)定了板面對位目標，就可以重置或保留它們。更新的對位目標對自動驗證和維修的準確性至關(guān)重要。

而設(shè)置紫晶光校正位置對位目標須先選擇一個代表線路板的對位目標（包含銅和基板的混合區(qū)域），用于在光校正過程中進行正確的拉伸。對位目標參數(shù)設(shè)置階段現(xiàn)已完成。則單擊右選項卡滾動箭頭設(shè)置Repair Params。設(shè)置Repair Params時，還可以對加載的特定層設(shè)置正確的Copper Thickness（銅厚）。軸線將根據(jù)Target and Orientation（板面位置）畫面中的定義移動到第一個VRS對位點的X和Y坐標。與此同時，如果已完成對焦，光學(xué)頭Z馬達將移動到計算的厚度，如果未完成對焦，則移動到定義的厚度，在第 1 個對位點上完成自動圖像掃描。

在此之后其實還有一個對位過程，即在參考 CAM 圖像（黃色）的上方對準獲取的實際掃描圖像（綠色），對第一個對位目標進行對焦并對準兩個圖像的位置后，按Align（對位）按鈕。然后軸移動到下一個對位目標，完成第二個目標的自動圖像掃描。

3.3 量產(chǎn)模式

量產(chǎn)模式主要包括驗證和維修兩個過程。按Batch Mode（量產(chǎn)模式）按鈕打開量產(chǎn)畫面，從Batch Set（設(shè)定量產(chǎn)）字段中選擇：Repair/Repair_by_ Demand，設(shè)定好Machine Name(機器名稱)和選擇好Serial Number(序列號)，按Start（開始）按鈕，此時彈出一個窗口，然后點擊Re process（前處理）按鈕和Repair（自動維修）按鈕，系統(tǒng)將自動執(zhí)行循環(huán)，直到缺點消失后停止。完成所有的維修后，即可退出量產(chǎn)。

在這里需要說明一下，量產(chǎn)模式分為自動維修和按照自己的需求來維修兩種。Orbotech所說的CLR技術(shù)可重復(fù)的自動閉環(huán)激光燒蝕，具有相當?shù)母偁巸?yōu)勢。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，可實現(xiàn)Orbotech產(chǎn)品及Orbotech之外所有的AOI設(shè)備檢測出的各類短路修復(fù)。

4 影響因素

任何一個工具都是完美無缺的，AOR也不例外，不能完全排除對其修復(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，要達到完美的修復(fù)效果就必須對這幾個問題加以重視。

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，只有當光束的偏振方向平行于切割方向是，材料（這里指銅）對光的吸收最好。實際切割時采用圓偏振鏡，以獲得各方向?qū)挾绕叫?，平直的切縫。因此，光源系統(tǒng)的選擇與維護是十分重要的，它會直接影響到最終的修復(fù)效果。設(shè)備商通過利用強有力的技術(shù)力量投入和光源系統(tǒng)的選擇是可以實現(xiàn)AOR修復(fù)準確性、和高效率的提升目的。

4.2 板材

我們可以通過PerFix 200型號的AOR技術(shù)規(guī)格表（表1）來看一下它對板材的要求：不同的板材具有不同的顏色、厚度、聚合物、填料類型等，經(jīng)緯線的分布和排列也存在一定的差異，其玻纖材質(zhì)對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基板材料不產(chǎn)生影響是不可能實現(xiàn)的。激光對不同類型的板材都或多或少會造成一定的傷害，只是某些板材對激光的吸收和反射敏感度強，而有些又要弱一些。目前據(jù)Orbotech對各類不同板材的研究，發(fā)現(xiàn)出如下規(guī)律（參見圖6）。

4.3 銅面厚度及質(zhì)量

線路板的線路銅面厚度越厚，所需修復(fù)面積越大，則需要的激光能量則越大，需要燒蝕的時間也就越長，對某點某處的燒蝕時間越長，就會影響到最終的修復(fù)效果。另外，如果所修復(fù)的區(qū)域銅面氧化、有臟污等，就必然會影響對激光的吸收，甚至會出現(xiàn)漏修或“拒修”等問題。針對這一點，我們要求檢測后的板子待修復(fù)的停放時間不易過久，一般控制在6小時內(nèi)完成修理。

5 結(jié)語

由于我們對AOR設(shè)備和技術(shù)的了解有限，有些方面可能還沒有談及到，或是講解不夠清晰，還望大家給予諒解和指正。但是，我們會繼續(xù)致力于AOR技術(shù)的運用和研究，不斷提高我們PCB板子的修復(fù)效果，達到減少報廢和提升競爭力的目的。當前Orbotech對AOR技術(shù)的開發(fā)和研究投入了大量的人力、物力資源，力爭將這項技術(shù)運用進一步推廣和完善。如將該項技術(shù)使用到電測后的短路修復(fù)、電鍍后孔內(nèi)殘銅的修復(fù)、conformal mask或large window工藝中漏開窗的修復(fù)等，這具有十分重要的現(xiàn)實意義和推廣價值。

[1] 吳梅珠 林金堵 LDI和噴印技術(shù)上解決“甚高密度”PCB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]中國水運,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">文獻標識碼：A文章編號：

1009-0096（2012）增刊-0470-06

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