電磁感應於印刷電路板銅箔量測之技術研究

作者：

許哲彰、陳建璋、黃彥傑、戴政祺

刊登日期：2023/09/28

摘要：在電子裝配中，印刷電路板(Printed Circuit Boards, PCB) 是個關鍵零件。它搭載其他的電子零件並連通電路，以提供一個安穩的電路工作環境。在PCB 製程前有一道重要的檢測需要做確認的，就是銅箔基板的銅厚量測，因為這會關係到後續內層走線其電性特性的數值。但是現行業界的量測都是以接觸式的量測，而且是一點一點的量測或是也有不量測的，而直接進行內層製程的進行。本文開發採用電磁量測法來獲取PCB 銅箔的電特性或厚度變化[1][2]，使用自製的電磁感應探頭並透過渦電流電磁量測法，建構一兼具低成本與高靈敏性的銅箔電特性及厚度檢測方法與系統，並針對PCB 銅箔的電特性進行導電率與厚度的評估，且協助建立製程參數與量測結果的關係資料庫，以求能得到較穩定的製程良率，進一步使用於PCB 印刷電路板在產線製程時能即時監控以減少損失。
Abstract：In electronic assembly, printed circuit boards are a key component. It carries other electronic
components and communicates with the circuit to provide a stable circuit working environment. Before the
PCB manufacturing process, there is an important test that needs to be confirmed, which is the copper thickness
measurement of the copper foil substrate, because this will be related to the value of the electrical characteristics
of the subsequent inner layer wiring. However, the current measurement in the industry is based on contact
measurement, and it is measured bit by bit or not measured, and the inner layer process is directly carried out. This article develops the use of electromagnetic measurement method to obtain the electrical characteristics or thickness changes of PCB copper foil. Using a self-made electromagnetic induction probe and eddy current electromagnetic measurement method, a low-cost and high-sensitivity copper foil circuit is constructed. The characteristics and thickness detection system, evaluate the conductivity and thickness of the electrical characteristics of PCB copper foil, and assist in the establishment of a database of relationship between process parameters and measurement results, in order to obtain a more stable process yield, and further used for real-time monitoring of PCB printed circuit boards during the production process to reduce losses.
關鍵詞：電磁感應、印刷電路板、銅箔
Keywords：Electromagnetic induction, Printed circuit boards, Copper foil

前言
PCB 電子電路板一向是電子產品、電子工業最重要核心元件之一，市場的產業產值一直是佔據電子元器件總產值約25% 上下，它搭載其他的電子零件並連通電路，以提供一個安穩的電路工作環境。PCB內層銅箔基板的基本特性包含形貌、厚度的特性，而目前檢測銅箔基板特性設備與方法可區分為兩大類，分別為破壞性量測法與非破壞性量測法[3][4]，介紹如下：
1. 破壞性量測法:
『四點探針』為常見的電參數量測技術，藉由通有固定電流的探針，來量測電壓值，進而求出片電阻。對於大部分的金屬鍍膜厚度，電阻係數變化不大，故片電阻可等效於鍍膜厚度( 片電阻值= 電阻率/ 厚度)。此外，利用固定的鍍膜厚度判斷製程條件對電阻係數的影響也是常見的運用。常利用四點探針法找出銅箔與導電率的關係。結果顯示當銅箔厚度增加時，電阻率會相對的降低，但並非單一線性關係，且當薄膜有一定厚度，其導電率會維持一定值，變化不大，且探針必須穿透深入銅箔，會造成銅箔表層有缺陷，在PCB薄膜產業中，此破壞性量測不允許執行。
2. 非破壞性量測法:
非破壞性檢測(Nondestructive Testing, NDT)是以不會破壞結構體之方式來檢測結構物內部之劣化現象及程度之一種檢測，原理是藉著某種媒介物(Medium)，例如聲、光、電、磁等媒介進行間接之檢測，比一般直接檢測方式，例如機械量規、敲擊探傷等更具靈敏與快速的特性。運用電磁感應技術量測銅箔導電率與厚度是目前銅箔量測最佳方法。當銅箔厚度小於感應渦電流的集膚深度，檢測到的共振頻率也逐漸變小，這是因為銅箔變薄使渦電流量變小，使之與探頭線圈的互感變小所致。
本研究最終目標是使用自製的電磁感應探頭並透過渦電流電磁量測法[5][6][7][8]，建構一兼具低成本與高靈敏性的薄膜電特性及厚度檢測方法與系統，並針對FCCL 薄膜的電特性進行導電率與厚度的評估，且協助建立製程參數與量測結果的關係資料庫，以求能得到較穩定的製程良率，進一步使用於軟性印刷電路板在產線製程時能即時監控以減少損失。

應用於銅箔之導電率與厚度量測之電磁感應技術研究

本文利用高頻探頭線圈設計、驅動電路製作、人機介面設計等技術達成薄膜量測技術開發，從理論出發利用渦電流電磁感應之數學解析及電磁模擬軟體找出可能之量測結果，最後利用自製的渦電流量測系統驗證。實際執行過程如下。1. 探頭設計本研究目標為量測微米(μm) 等級厚度的薄膜且固定Lift-off 為2 mm，因現有取得的薄膜為銅材質，厚度分別為2 μm、5 μm，為此團隊自製了種相近規格的探頭，如圖1 為線圈結構剖面圖，並進行每個探頭對於每一不同厚度的待測物薄膜進行量測分析。
接下來透過綜合分析儀Agilent 4395A 的阻抗分析功能，分析探頭操作諧振點、電感值、阻抗值，並量測不同薄膜厚度時的特性變化。將Probe Type A~D (PTA~PTD) 四個自製探頭如圖 2(a~d)進行0 Hz ～ 10 MHz 的頻率掃描探頭的阻抗變化、電感、線電阻、諧振點頻率如表1，此頻率掃描無量測薄膜 (Air) 的狀態，可得如圖 3 (a~d) 之阻抗與頻率的響應圖，則掃描阻抗的最高點稱之為諧振頻率點。
探頭參數如表2 所示，將四個探頭分別量測銅(Cu) 材質薄膜，分別為AIR( 無薄膜)、2 μm、5 μm 等厚度，因為是相似的探頭，所以量測出來的結果是相近的，差別在於諧振頻率點的不同，但是阻抗的變化量是相近的，由此可以知道系統在量測時可以準確的量到薄膜變化量，並且驗證系統可以同時多個點量測。