1 背景

隨著電子行業(yè)朝高功率、微型化、組件高密度集中化方向的快速發(fā)展，電子產品的功率密度越來越大，體積越來越小，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)設計的一個巨大的挑戰(zhàn)。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)來說，開發(fā)PCB散熱管理技術，降低PCB工作溫度，是提高PCB及其系統(tǒng)的可靠性的重要途徑。

早在1985年，在日本電氣化學工業(yè)株式會社就問世了第一代的散熱基板產品“HITT僾儗乕僩”(HITT板塊散熱)。目前PCB市場上出現(xiàn)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產品，就是電子行業(yè)研發(fā)工作者聰明才智和辛勤勞動的結晶。

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)，客戶端使用時高功率元器件直接貼裝到金屬塊上面，器件工作時產生的大量熱量通過金屬塊傳導到PCB另外一側的專用散熱器件上，從而有效降低元器件和PCB工作溫度，提高設備使用壽命?？梢?，包含埋嵌式器件的PCB技術的開發(fā)，可有效促進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，同時相對常規(guī)金屬基板又節(jié)省了成本，是一項前途光明的先進技術。

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，更為常見的類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(qū)別和相似點分析如表1 所示。

由表1可見，對于常規(guī)PCB而言，翹曲度是關鍵指標。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是，反映樣品的實際狀況相對理想狀態(tài)的變動量。

由于客戶需要在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，或錫膏過多導致高功率元器件短路。因此在埋嵌元件PCB制作過程中，必須嚴格控制和監(jiān)測埋嵌元件與PCB的共面度。

2 現(xiàn)狀分析

當前PCB行業(yè)內對埋嵌元件共面度的測量方法沒有統(tǒng)一和明確的規(guī)范，但在PCBA貼裝和焊接過程，則對焊腳相對PCB表面的共面度有控制要求(圖2)。

在此需要定義幾個測量共面度過程中的關鍵術語：

(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(guī)的測量共面度方法有兩種：三棱鏡法(圖3)和投影法(圖4)。一般來說，三棱鏡法可以測量樣品五個表面所有被測點與基準面之間的距離，而投影法僅可測量樣品投影表面(1個表面)被測點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用的三維掃描測量儀器，且行業(yè)內還沒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、測量效率等如下。

3.1 切片分析法

切片分析法是一種常規(guī)的檢查PCB內部結構或缺陷的合規(guī)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切割下來制成樣片，經(jīng)過垂直研磨、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，其檢測耗時較長，所能檢查的點有限，但其測量結果直觀(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所處的坐標(包含X、Y、Z軸坐標)。計算各測量點的Z軸坐標之差，則可得到被測樣品表面的共面度值。結合埋嵌式產品特點以及公司現(xiàn)有設備能力現(xiàn)狀，開發(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。

該方法使用公司三維坐標儀測量被測點的X、Y、Z坐標，所需要的測量點一般為9個，且樣品表面檢查點(點2、3、6、7、9)分布在被測樣品(銅塊)的四角和中央，具有代表性。參考點(點1、4、5、8)為被測樣品四角PCB表面的銅面，不需專門在被測樣品(銅塊)周邊設計測量焊盤，且同樣能有效表征被測PCB樣品所處的基準平面。

該方法在計算被測樣品(銅塊)的共面度時，采用如表2所示的計算方法(直接比較法)：

因上述方法輸出的是被測樣品(銅塊)表面5點的共面度值，且采用測量點與參考點縱坐標直接比較的方法計算被測點的共面度值，故簡稱直接比較五點法。

綜上所述，該方法有如下特點：

(1)可對在線產品進行無損測量;

(2)測量快速簡便、可對同一位置進行重復多次測量;

(3)測量精度受三維坐標儀儀器精度、被測樣品翹曲情況(如某些混壓板)限制;

(4)被測樣品(銅塊)距離板邊較遠時，因三維坐標儀樣品臺面尺寸和鏡頭行程(304.8 mm×152.4 mm×152.4 mm)限制，無法測量。

3.3 三維影像測量儀測量

近年來，隨著PCB行業(yè)對影像測量需求的增加，許多影像測量設備商開發(fā)了一系列的三維影像測量儀，其特點是采用高分辨率的鏡頭和特殊算法，先對被測樣品進行全面立體掃描(圖7)，獲取其三維影像信息，并針對客戶的需求分析(平面的長度、寬度或形狀的測量，立體的形狀、位置或高度的測量等)，采用相應的算法進行計算，并即時輸出結果。

該方法盡管測量精度高，所得圖片清晰、形象，但由于其操作臺面較小(約200 mm×200 mm)、掃描時間長、測量精度受到光源類型和被測樣品表面清潔度等因素影響，不適用于公司埋嵌銅塊產品的共面度在線檢查。

3.4 接觸式三坐標儀測量

3.4.1 測量原理

機械加工業(yè)內有一種測量樣品平面度的接觸式三坐標儀，其測量原理與常規(guī)影像式三坐標儀類似，即采用微小探頭接觸被測樣品表面獲取其三維坐標(圖8)，再經(jīng)過一系列計算，輸出被測樣品的平面度、三維尺寸等信息。分析其測量原理可知，可利用其測量公司埋嵌銅塊的共面度。

3.4.2 測量結果與分析

使用接觸式三坐標儀測量公司埋嵌銅塊產品的測量和分析結果如表3、表4.測量效率分析如表5.

3.4.3 小結

(1)采用接觸式三坐標儀測量埋嵌銅塊共面度，可對大尺寸的PCB板進行無損在線測量;(2)采用接觸式三坐標儀測量埋嵌銅塊共面度，其Z向測量結果不受影像測量方法的聚焦能力影響，但在測量微小尺寸的埋嵌銅塊(2 mm或更小)時，存在較大的定位誤差;(3)采用接觸式三坐標儀測量公司埋嵌銅塊的共面度，其測量結果準確度和可重復性較好，且可實現(xiàn)編程測量，在測量樣品數(shù)量較多時，其測量效率較高。

3.5 各測量方法對比匯總

匯總上述四種測量方法的對比結果，如表6所示。

公司前期常用的方法為金相切片分析法和三坐標測量法，兩種方法各有優(yōu)缺點，均需要做針對性的改進。