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(wù)外包職業(yè)學(xué)院；.蘇州市計(jì)量測(cè)試院

0 引言

近年，微電子封裝的密度越來(lái)越大，焊接引腳的間距越來(lái)越小，對(duì)表面組裝技術(shù)（SMT）提出的要求越來(lái)越高。要實(shí)現(xiàn)小間距下焊接，并且保證焊點(diǎn)的可靠性，其中重要的環(huán)節(jié)是監(jiān)測(cè)錫膏的印刷質(zhì)量，錫膏印刷質(zhì)量是制約半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。錫膏厚度是判斷焊接點(diǎn)質(zhì)量及可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)，錫膏厚度偏薄焊接強(qiáng)度不夠，會(huì)導(dǎo)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(guò)程中的可靠度；錫膏厚度偏薄情況嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致虛焊、空焊；若錫膏厚度偏厚，會(huì)造成零件貼裝后引腳間短路，從而產(chǎn)生功能性的問(wèn)題[1]。為了保證檢測(cè)準(zhǔn)確，必須對(duì)錫膏印刷質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，只有符合要求的錫膏才能達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。錫膏測(cè)厚儀是檢測(cè)錫膏印刷質(zhì)量及其可靠性的重要檢測(cè)設(shè)備，因此，錫膏測(cè)厚儀（測(cè)量范圍≤600 μm）測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確與否，是檢驗(yàn)錫膏印刷質(zhì)量的關(guān)鍵因素。中國(guó)已成為全球最大PCB生產(chǎn)國(guó)，且大陸地區(qū)在2019年到2023年，PCB產(chǎn)值將保持4.4%的復(fù)合增長(zhǎng)率，超過(guò)日本、美國(guó)，在2023年產(chǎn)值將達(dá)到405億美元。長(zhǎng)三角和珠三角兩個(gè)地區(qū)的PCB產(chǎn)值占中國(guó)大陸總產(chǎn)值的90%左右，因此，錫膏測(cè)厚儀的計(jì)量校準(zhǔn)存在巨大的市場(chǎng)。

1 工作原理

錫膏測(cè)厚儀是一種利用激光二維或三維掃描技術(shù)，測(cè)量印刷在PCB上的錫膏厚度分布的儀器。其測(cè)量原理是非接觸式激光測(cè)厚儀由專(zhuān)用的激光器產(chǎn)生很細(xì)的線型光束，以一定的傾角投射到待測(cè)量目標(biāo)上。由于被測(cè)樣品與周?chē)宕嬖诟叨炔?，此時(shí)觀測(cè)到的被測(cè)樣品和基板上的激光束相應(yīng)出現(xiàn)斷層落差。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，可以用觀測(cè)到的落差計(jì)算出被測(cè)樣品與周?chē)宕嬖诘母叨炔睿瑥亩鴮?shí)現(xiàn)非接觸式的快速測(cè)量。該過(guò)程中，需要被測(cè)樣品表面形成漫反射。

圖1 市場(chǎng)上常用的錫膏測(cè)厚儀

2 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

近年來(lái)，半導(dǎo)體集成電路、先進(jìn)制造等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展，微納幾何尺寸的高準(zhǔn)確度測(cè)量需求越來(lái)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(cè)厚儀等常用的非接觸式表面形貌測(cè)量?jī)x器得到廣泛應(yīng)用，以獲得樣品的表面輪廓和高度。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)錫膏測(cè)厚儀的計(jì)量性能，保證尺寸測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，需要對(duì)此類(lèi)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。目前，江蘇省頒布JJF(蘇) 191-2017《錫膏測(cè)厚儀校準(zhǔn)規(guī)范》是針對(duì)錫膏測(cè)厚儀校準(zhǔn)的計(jì)量技術(shù)法規(guī)，用于評(píng)價(jià)和管控錫膏印刷質(zhì)量，提供了計(jì)量技術(shù)保障。

目前，市場(chǎng)上常用的標(biāo)準(zhǔn)器選用的是研和在平面平晶上組成特定高度差來(lái)的金屬量塊開(kāi)展校準(zhǔn)工作，但在實(shí)際操作中，經(jīng)常無(wú)法識(shí)別高度差或高度差測(cè)量數(shù)據(jù)偏差嚴(yán)重，這主要是由于金屬量塊表面精密加工呈現(xiàn)鏡面，導(dǎo)致電荷耦合器件（CCD）無(wú)法觀測(cè)到激光束或觀測(cè)到的光亮度很低，無(wú)法在計(jì)算機(jī)上成像（圖2）。有些儀器由于程序設(shè)定，無(wú)法測(cè)量單邊臺(tái)階，只能測(cè)量?jī)蛇叺椭虚g凸出的臺(tái)階。由于金屬量塊和平面平晶研合的厚度較高，部分儀器調(diào)整距離有限，導(dǎo)致在極限位置不能聚焦，因此，無(wú)法開(kāi)展校準(zhǔn)工作[2]。此外，由于測(cè)量?jī)x器使用環(huán)境比較復(fù)雜，且標(biāo)準(zhǔn)器為金屬材質(zhì)，長(zhǎng)期使用后表面難免生銹，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，研制符合校準(zhǔn)規(guī)范且市場(chǎng)應(yīng)用范圍廣的標(biāo)準(zhǔn)器顯得尤為迫切。

圖2 激光在錫膏和量塊表面成像對(duì)比

3 標(biāo)準(zhǔn)器

3.1 結(jié)構(gòu)

通過(guò)廣泛調(diào)研市場(chǎng)上常用的錫膏測(cè)厚儀，結(jié)合錫膏測(cè)厚儀的工作原理，且需要觀測(cè)到的被測(cè)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(chǎng)需求，設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)器包含基座、臺(tái)階和防護(hù)層（圖3），具體參數(shù)見(jiàn)表1。此處基座的形狀可以是圓柱或者長(zhǎng)方體，其高度范圍控制在20～50 mm，臺(tái)階高度20～400 μm，符合市場(chǎng)上絕大部分錫膏測(cè)厚儀等非接觸式測(cè)量?jī)x的測(cè)量范圍，確保聚焦。為了滿足錫膏測(cè)厚儀多參數(shù)高度的校準(zhǔn)需求，可以在基座的一側(cè)設(shè)計(jì)多個(gè)不同高度的臺(tái)階，大大提高校準(zhǔn)的工作效率。防護(hù)層是一層黑色的磷化膜，使標(biāo)準(zhǔn)器的表面具有漫反射表面特征，確保能夠被CCD捕捉到信號(hào)，在計(jì)算機(jī)上成像。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)器結(jié)構(gòu)

表1 標(biāo)準(zhǔn)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 材質(zhì)的選擇

結(jié)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(tái)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(yīng)用于計(jì)量校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器的制作中，熱處理后強(qiáng)韌性能得到較大提高，使樣板標(biāo)準(zhǔn)器的使用壽命延長(zhǎng)，穩(wěn)定性好。

3.3 加工工藝的選擇

通過(guò)粗切割初步獲得相應(yīng)尺寸的基座，在基座的側(cè)面切割獲得相應(yīng)的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行熱處理，高溫淬火1 100～1 150 ℃，低溫淬火960～1 050 ℃，回火550～650 ℃，進(jìn)一步提高材料的硬度，再用高精度磨床精加工，加工時(shí)保證每個(gè)臺(tái)階的測(cè)量面平面度、平行度達(dá)到計(jì)量校準(zhǔn)要求。針對(duì)金屬量塊標(biāo)準(zhǔn)器表面不能形成漫反射導(dǎo)致無(wú)法成像的問(wèn)題，采用黑色磷化工藝，在基座和臺(tái)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(shí)滿足激光非接觸式和其他類(lèi)型掃描形式測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)需求。形成的黑色磷化膜防護(hù)層能夠減少環(huán)境溫濕度變化對(duì)樣板的腐蝕，確保校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 加工工藝流程

3.4 標(biāo)準(zhǔn)器的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

為保證標(biāo)準(zhǔn)器量值準(zhǔn)確及可溯源，需要分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器的臺(tái)階高度、表面粗糙度、平面度和平行度進(jìn)行量值標(biāo)定[3]，具體計(jì)量參數(shù)范圍要求見(jiàn)表2。采用超高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器不同高度的臺(tái)階進(jìn)行量值標(biāo)定[4-6]。機(jī)械加工后的標(biāo)準(zhǔn)器臺(tái)階塊的表面在加工過(guò)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(tái)階高度的準(zhǔn)確度，因此，需要對(duì)微觀表面粗糙度進(jìn)行評(píng)價(jià)。微觀表面粗糙度可以用干涉顯微鏡等在臺(tái)階測(cè)量面取不少于3個(gè)測(cè)量位置，每個(gè)位置測(cè)量10次取平均值。平面度測(cè)量是指被測(cè)樣品實(shí)際表面對(duì)其理想平面的變動(dòng)量，用光學(xué)平晶的工作面作為理想平面，被測(cè)樣品實(shí)際表面與理想平面進(jìn)行比較，直接以干涉條紋的彎曲程度確定被測(cè)樣品實(shí)際表面的平面度誤差值。平行度是指兩個(gè)平面或直線平行的程度，以基座的測(cè)量面為基準(zhǔn)，臺(tái)階的測(cè)量面相對(duì)基準(zhǔn)在同一方向上允許的變動(dòng)全量。用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等取不少于3個(gè)測(cè)量位置，基于最小二乘法、遺傳算法對(duì)平行度誤差進(jìn)行評(píng)定，確保不同位置臺(tái)階高度均勻性，減小在臺(tái)階測(cè)量面上不同位置測(cè)出的臺(tái)階高度的測(cè)量誤差。

表2 標(biāo)準(zhǔn)器的計(jì)量參數(shù)范圍

4 測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)

用標(biāo)定過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)器來(lái)校準(zhǔn)非接觸式表面形貌測(cè)量?jī)x器，在覆蓋被校儀器量程的范圍內(nèi)選擇3至5點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，選取相應(yīng)高度值的標(biāo)準(zhǔn)器臺(tái)階塊。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器臺(tái)階塊有效區(qū)域內(nèi)，分別在同一測(cè)量區(qū)域相鄰位置處重復(fù)測(cè)量10次并記錄儀器示值，示值平均值為測(cè)量結(jié)果，從而得到厚度測(cè)量示值誤差，確保其量值可溯源。

5 測(cè)量不確定度評(píng)定

5.1 測(cè)量模型

臺(tái)階高度的示值誤差?x=-x0

式中：Δx——示值誤差；

x0——標(biāo)準(zhǔn)器上臺(tái)階高度的校準(zhǔn)值

5.2 臺(tái)階高度測(cè)量示值誤差不確定度的來(lái)源及評(píng)定

5.2.1 超高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)引入的不確定度分量u1

超高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的擴(kuò)展不確定度U為0.50 μm，k= 2，因此，由超高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)引入的不確定度分量為

5.2.2 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2,采用A類(lèi)評(píng)定方法。

重復(fù)測(cè)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(jì)算得到實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差：

校準(zhǔn)結(jié)果取10次測(cè)量的平均值，故測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定分量為：

5.2.3 溫度測(cè)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(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算

以上各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量互不相關(guān)，所以臺(tái)階高度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

擴(kuò)展不確定度為

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研制校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器符合現(xiàn)有校準(zhǔn)規(guī)范的要求，解決了半導(dǎo)體封裝過(guò)程中檢測(cè)錫膏厚度用的錫膏測(cè)厚儀標(biāo)準(zhǔn)器缺失的問(wèn)題，為錫膏印刷質(zhì)量的準(zhǔn)確檢測(cè)提供了質(zhì)量保障，可大大降低半導(dǎo)體產(chǎn)品的不良率，減少企業(yè)的虧損。該標(biāo)準(zhǔn)器可廣泛用于半導(dǎo)體生產(chǎn)制造、微納加工和測(cè)量相關(guān)的研究和生產(chǎn)領(lǐng)域，為相關(guān)企業(yè)提供計(jì)量技術(shù)支撐。