AOR在印制電路板制造中的應用與研究

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在印制電路板制造中的應用與研究

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技術是當前應用于電路板制造中的最新技術之一，文章主要講述了AOR設備的工作原理、操作程序及影響該技術的因素等內(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技術的“極限”。這就要求我們PCB的制作技術、設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)的制造設備、技術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，自動光學維修）和最終外觀檢查機等先進的檢測、維修設備逐漸出現(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設備外形上與AOI（Automated Optical Inspection，自動光學檢查）相似，可以與AOI設備連在一起，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其構造相對于AOI來說要復雜的多，但是其主要原理仍是激光切割技術的運用。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構：

圖2 AOR主要部件的內(nèi)部構造

Orbotech的AOR修復是采用其專利未決的最新技術——CLR Technology （Closed Loop Repair閉環(huán)修復技術），該技術可分為三步進行：圖像采集、圖像處理和激光切割，可達到修復精確、可重復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)修復技術）

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模式，則只需做好參數(shù)設定和目標定位等工作，即可實現(xiàn)自動修復。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等檢測相設備連的情況比較常見，可快速而準確地將板面的短路修復。

2.3 激光切除（Laser Ablation）

通過圖像比較后，可設置激光切割的參數(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、功能學等多方面學科，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Orbotech公司PerFix 200型號的AOR設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，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應用程式。待應用程式啟動后，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 設置板面位置參數(shù)

這里包括設置VRS對位目標和紫晶光校正位置對位目標。設置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重要。

而設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)設置階段現(xiàn)已完成。則單擊右選項卡滾動箭頭設置Repair Params。設置Repair Params時，還可以對加載的特定層設置正確的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（設定量產(chǎn)）字段中選擇：Repair/Repair_by_ Demand，設定好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技術可重復的自動閉環(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設備檢測出的各類短路修復。

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效果產(chǎn)生影響的因素。影響AOR修復效果的主要因素有光源系統(tǒng)、板材、銅厚及銅面質量等，要達到完美的修復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)是影響修復效果的一個重要因素，不同的光源系統(tǒng)具有不同的光學特性，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，以獲得各方向寬度平行，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效果。設備商通過利用強有力的技術力量投入和光源系統(tǒng)的選擇是可以實現(xiàn)AOR修復準確性、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 銅面厚度及質量

線路板的線路銅面厚度越厚，所需修復面積越大，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效果。另外，如果所修復的區(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 結語

由于我們對AOR設備和技術的了解有限，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技術的運用和研究，不斷提高我們PCB板子的修復效果，達到減少報廢和提升競爭力的目的。當前Orbotech對AOR技術的開發(fā)和研究投入了大量的人力、物力資源，力爭將這項技術運用進一步推廣和完善。如將該項技術使用到電測后的短路修復、電鍍后孔內(nèi)殘銅的修復、conformal mask或large window工藝中漏開窗的修復等，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修復系統(tǒng)[J].2011,11,17.

[3] 畢玉春 汪小峰 淺談激光切割技術[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，技術中心研發(fā)部高級工程師，主要從事新技術研究及新產(chǎn)品的開發(fā)，Tel：0753-2329902，E-mail：sj1_chen@bominelec.com。