封裝與 PCB 領(lǐng)域的計量檢測需要更高水平的自動化。圖片來源：Adobe Stock

PCB 設(shè)計人員通常將計量檢測視為投板后才開始的制造或質(zhì)量問題。隨著越來越多的設(shè)計開始采用精細(xì)結(jié)構(gòu)、封裝接口向超高帶寬方向發(fā)展，這種觀念已然過時。如果制造商或?qū)嶒炇覠o法以足夠的精度和可重復(fù)性對結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，那么產(chǎn)品認(rèn)證、工藝控制與模型相關(guān)性驗證都會變得不可靠。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的芯片計量計劃清晰地闡明了一個更廣泛的觀點：若想實現(xiàn)微電子規(guī)模化生產(chǎn)，測量必須做到準(zhǔn)確、精密且貼合實際用途。

因為更小的結(jié)構(gòu)尺寸與異質(zhì)集成對于工藝控制和可追溯性要求更嚴(yán)格，先進(jìn)封裝供應(yīng)商早已圍繞這一理念進(jìn)行布局，而 PCB 行業(yè)的發(fā)展步伐卻未能同步。因此，封裝與 PCB 的計量檢測都需要更高水平的自動化，這也將讓兩大領(lǐng)域的計量檢測規(guī)范趨于一致。

PCB 計量檢測難以跟上行業(yè)需求

行業(yè)計量標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍雖已不斷向更小的特征尺寸拓展，但這并不意味著質(zhì)量管控團(tuán)隊與實驗室能夠跟上需求。事實上，隨著特征尺寸不斷縮小，考慮到其帶來的可靠性挑戰(zhàn)，對計量檢測的需求本應(yīng)更為旺盛。

在標(biāo)準(zhǔn)方面，IPC 協(xié)會仍將顯微切片技術(shù)明確納入合規(guī)性與產(chǎn)品認(rèn)證體系中，例如：

• IPC-TM-650 將顯微切片作為評估層壓體系與電鍍結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)方法

• IPC-6012 明確規(guī)定了經(jīng)顯微切片測試的試樣或印制板的結(jié)構(gòu)完整性要求，同時涵蓋認(rèn)證測試試樣與試樣選取規(guī)范

• IPC-2221（附錄 A）定義了測試試樣的設(shè)計要求，包括用于顯微切片分析的試樣（如縱橫比 A/R、孔徑 D、間距 S 等參數(shù)）

這些標(biāo)準(zhǔn)雖有助于統(tǒng)一認(rèn)證規(guī)范，但制定之時，實驗室的計量檢測工作與后續(xù)分析大多依靠人工完成。盡管該領(lǐng)域已通過數(shù)據(jù)分析、協(xié)同功能實現(xiàn)了部分自動化，但實際測量操作仍高度依賴設(shè)備操作人員的技術(shù)水平。切片工序高度依賴人工，對操作人員技能要求極高，且存在隨機誤差，尤其是在對微小結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)切面剖切時尤為明顯。

ScanLabs 創(chuàng)始人杰弗里?利茲表示：“我們發(fā)現(xiàn)，無論是制造商還是原始設(shè)備制造商，這一工序都高度依賴人工，非常受操作人員水平影響。過程中存在大量隨機誤差，不同操作人員的操作方式也存在差異，整個領(lǐng)域幾乎處于無序狀態(tài)。”

目前，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了實驗室或質(zhì)量管控團(tuán)隊需要檢測的項目，卻無法幫助其生成穩(wěn)定、高通量的數(shù)據(jù)并反饋給工藝工程師或產(chǎn)品設(shè)計師。IPC 協(xié)會雖制定了半自動顯微切片方法，但該流程仍涉及多道工序：試樣制備、平面研磨、拋光設(shè)置、蝕刻以及依據(jù)客戶規(guī)格進(jìn)行評估。從多方面來看，這都為計量檢測系統(tǒng)實現(xiàn)自動化、提升檢測通量與頻率創(chuàng)造了機遇。

電子制造領(lǐng)域的計量檢測正面臨需求難以滿足的困境。圖片來源：薩達(dá)爾 / Adobe Stock

能否替代自動光學(xué)檢測（AOI）與顯微切片技術(shù)？

答案或許是：不能……

有人可能會提議改用已實現(xiàn)自動化的檢測技術(shù)，如 X 射線掃描。X 射線檢測雖實用性極強，但二維射線檢測在應(yīng)對日益復(fù)雜的電子產(chǎn)品時存在明顯局限，這也是半導(dǎo)體檢測領(lǐng)域正大力推進(jìn)三維成像技術(shù)的原因。在 PCB 檢測中，X 射線雖能呈現(xiàn)大量信息，卻無法自動提供高可靠性行業(yè)所需的電鍍完整性、裂紋萌生、界面幾何形狀或微過孔評估所需的精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)截面數(shù)據(jù)。

自動光學(xué)檢測、面板計量、X 射線檢測與破壞性切片檢測，僅能以不同的自動化程度和精度觀測 PCB 的不同部位。在 PCB 質(zhì)量管控中，這些方法均為單幀檢測，若操作人員經(jīng)驗不足，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性只能靠運氣。此外，這些工序的效率受限于人工操作速度，熟練操作人員的嚴(yán)重短缺問題也因此暴露無遺。

檢測通量不足還引發(fā)了隱性積壓問題：部分原始設(shè)備制造商與代工廠待分析的計量檢測樣品數(shù)量龐大，熟練操作人員卻無法滿足檢測需求。這在航空航天等高可靠性行業(yè)中尤為棘手，該領(lǐng)域需要大量 PCB 樣品以驗證裸板或組件的可靠性。而這種對人工的依賴，正是計量檢測自動化最核心的突破點。

借鑒半導(dǎo)體工藝控制流程

PCB 計量檢測應(yīng)借鑒半導(dǎo)體與封裝檢測技術(shù)，并非因為材料完全相同，而是因為二者面臨的測量問題高度相似。先進(jìn)封裝行業(yè)早已長期應(yīng)對微小結(jié)構(gòu)、可追溯性、良率波動與嚴(yán)苛工藝窗口等問題，如今 PCB 制造也在更大規(guī)模、不同成本結(jié)構(gòu)下遭遇了同類問題。

市場上已出現(xiàn)一種可行的改進(jìn)方案：保留標(biāo)準(zhǔn)測試試樣，圍繞試樣實現(xiàn)數(shù)據(jù)提取自動化。該方案通過連續(xù)研磨、重復(fù)成像與缺陷空間關(guān)聯(lián)，可將測試試樣重構(gòu)為更豐富的數(shù)據(jù)載體，而非單一的合格/不合格圖像。

利茲稱：“在我們的設(shè)備中，能夠提前預(yù)判是否存在可完整剖切結(jié)構(gòu)的理想截面。若不存在，便可進(jìn)行連續(xù)步進(jìn)式剖切：先研磨至第一個切面并拍攝顯微圖像，再繼續(xù)研磨至下一個切面并成像，以此類推。”

該方案的價值在于，單張顯微圖像僅能判斷某一切割位置是否合格，而一系列對齊的連續(xù)切片則能展現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、傾斜、對位情況、玻璃 - 樹脂相互作用與體積幾何結(jié)構(gòu)，這些都是單一切片無法實現(xiàn)的。

這也讓PCB計量檢測對設(shè)計人員更具實用價值。一旦能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)，或至少完成多切片的空間關(guān)聯(lián)，便可將實際制造幾何結(jié)構(gòu)反饋至電氣、熱學(xué)與力學(xué)仿真模型中。依托當(dāng)下的自動圖像采集與重構(gòu)技術(shù)，可通過試樣分析重構(gòu)數(shù)字幾何模型并用于仿真，遠(yuǎn)勝于將試樣數(shù)據(jù)封存于僅用于合規(guī)審核的靜態(tài)PDF報告中。