CN103376047A - 用于测量印刷电路板的厚度的设备及方法 - Google Patents

用于测量印刷电路板的厚度的设备及方法 Download PDF

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CN103376047A CN2013101194086A CN201310119408A CN103376047A CN 103376047 A CN103376047 A CN 103376047A CN 2013101194086 A CN2013101194086 A CN 2013101194086A CN 201310119408 A CN201310119408 A CN 201310119408A CN 103376047 A CN103376047 A CN 103376047A
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Abstract

本申请案涉及用于测量印刷电路板的厚度的设备及方法。本发明涉及一种用于测量印刷电路板PCB的至少一个绝缘层的厚度的设备,所述至少一个绝缘层具有位于其上的传输线。所述设备包含:阻抗测量单元,其经配置以:将多个输入信号输入到所述传输线,所述输入信号中的每一者具有相应频率;从所述传输线接收输出信号;及基于所述输入信号及所述输出信号而确定所述至少一个绝缘层的阻抗值;以及厚度计算单元,其经配置以基于所述阻抗值而计算所述至少一个绝缘层的厚度。

Description

用于测量印刷电路板的厚度的设备及方法
技术领域
本文中所描述的发明性概念大体来说涉及一种用于测量印刷电路板(PCB)的厚度的设备及方法,且特定来说,涉及一种用于电测量PCB的至少一个绝缘层的厚度的设备及方法。
背景技术
印刷电路板(PCB)通常在其上容纳电子组件。所述电子组件可通过导电线电互连。电子组件的电磁干扰及阻抗匹配通常受PCB的绝缘层的厚度影响。因此,可有必要或期望在将电子组件放置于PCB上之前测量所述PCB的绝缘层的厚度。
然而,常规技术已主要被设计成仅测量PCB的总体厚度,而不直接测量PCB的一个或一个以上绝缘层的厚度。此外,在包含多个绝缘层的多层PCB中,关于绝缘层中的某些绝缘层的厚度的信息可为必需的,以帮助确定所述PCB是否满足所要质量要求。
因此,需要一种能够测量PCB的绝缘层中的至少一些绝缘层的厚度的技术。
发明内容
在代表性实施例中,提供一种用于测量印刷电路板(PCB)的至少一个绝缘层的厚度的设备,所述至少一个绝缘层具有位于其上的传输线。所述设备包含:阻抗测量单元,其经配置以将多个输入信号输入到所述传输线、从所述传输线接收输出信号且基于所述输入信号及所述输出信号而确定所述至少一个绝缘层的阻抗值,其中所述输入信号中的每一者具有相应频率;及厚度计算单元,其经配置以基于所述阻抗值而计算所述至少一个绝缘层的厚度。
所述阻抗测量单元可将所述输入信号的量值及相位与所述输出信号的量值及相位进行比较以计算所述至少一个绝缘层的S参数值。随后,所述阻抗测量单元可将所述所计算S参数值转换成相应阻抗值。
在由所述阻抗测量单元确定所述阻抗值之后,所述厚度计算单元可从所述阻抗值当中选择具有最小虚部的阻抗值。随后,所述厚度计算单元可基于所述选定阻抗值而计算所述至少一个绝缘层的所述厚度。可根据以下方程式计算所述厚度:
Figure BDA00003022955200022
A = Z 0 60 ϵ r + 1 2 + ϵ r - 1 ϵ r + 1 ( 0.23 + 0.11 ϵ r )
B = 377 π 2 Z 0 ϵ r
其中W为所述传输线的宽度,Z0为选定阻抗值,且εr为所述至少一个绝缘层的介电常数。
所述设备可进一步包含用于确定所计算厚度是否属于预定范围以检查所述PCB是否满足所要质量准则的厚度比较单元。
在另一代表性实施例中,提供一种测量印刷电路板(PCB)的至少一个绝缘层的厚度的方法,所述至少一个绝缘层具有位于其上的传输线。所述方法包含:通过将多个输入信号输入到所述传输线、通过从所述传输线接收输出信号且通过基于所述输入信号及所述输出信号而确定阻抗值来测量阻抗值,其中所述输入信号中的每一者具有相应频率;及基于所述所测量阻抗值而计算所述至少一个绝缘层的厚度。
附图说明
在借助附图阅读时,根据以下详细描述,最佳地理解实例性实施例。要强调的是各个图未必是按比例绘制。事实上,为清晰地论述,可任意地增加或减小尺寸。在适用且实用时,相似参考编号指代相似元件。
图1是图解说明根据代表性实施例的用于测量印刷电路板(PCB)的至少一个绝缘层的厚度的设备的示意性框图。
图2A及2B是根据代表性实施例的具有测试区的PCB的相应示意图及横截面图。
图3A到3C图解说明根据代表性实施例的表示至少一个绝缘层的阻抗值的示范性结果的史密斯圆图。
图4图解说明根据代表性实施例的至少一个绝缘层的阻抗值的示范性结果。
图5图解说明根据代表性实施例的至少一个绝缘层的厚度的示范性结果。
图6图解说明根据另一代表性实施例的用于测量PCB的至少一个绝缘层的厚度的过程的流程图。
具体实施方式
在以下详细描述中,出于解释而非限制的目的,陈述了揭示特定细节的代表性实施例以便提供对本发明教示的透彻理解。然而,受益于本发明的所属领域的技术人员将明了,根据本发明教示的不背离本文中所揭示的特定细节的其它实施例保持在所附权利要求书的范围内。此外,可省略众所周知的设备及方法的描述以便不使代表性实施例的描述模糊。明显地,此些方法及设备在本发明教示的范围内。
一般来说,应理解,本文中所描绘的图式及各种元件未必按比例绘制。此外,例如“在…上方”、“在…下方”、“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“左侧”“右侧”、“垂直”及“水平”的相对性术语用于描述各种元件相对于彼此的关系,如附图中所图解说明。应理解,这些相对性术语除图式中所描绘的定向之外还打算囊括装置及/或元件的不同定向。举例来说,如果相对于图式中的视图将装置倒置,那么(举例来说)描述为“在另一元件上方”的元件现在将“在所述元件下方”。同样地,如果相对于图式中的视图将装置旋转90度,那么(举例来说)描述为“垂直”的元件现在将为“水平”的。
此外,如本说明书及所附权利要求书中所使用,术语“一(a、an)”及“所述”包含单个及多个所指物两者,除非上下文另有清晰指示。因此,举例来说,“一装置”包含一个装置及多个装置。
如本说明书及所附权利要求书中所使用,且除其普通意义之外,术语“实质”或“实质上”还意指在可接受的极限或程度内。举例来说,“实质上消除”意指所属领域的技术人员将认为所述消除为可接受的。
如本说明书及所附权利要求书中所使用,且除其普通意义之外,术语“大约”还意指在所属领域的技术人员可接受的极限或量内。举例来说,“大约相同”意指所属领域的技术人员将认为正比较的物项为相同的。
图1是图解说明根据代表性实施例的用于测量印刷电路板(PCB)的至少一个绝缘层的厚度的设备的示意性框图。
图1中所展示的设备100可测量PCB的至少一个绝缘层的厚度。此外,设备100可自动且重复地测量多个PCB的相应绝缘层的厚度。举例来说,设备100可连续地测量堆叠在引入匣盒10中的PCB中的每一者的相应绝缘层的厚度、基于所测量厚度而确定所述PCB中的每一者是否满足所要质量要求,且取决于所述确定而将所述PCB中的每一者放置到引出匣盒20及30中。
参考图1,设备100包含PCB处置单元110、阻抗测量单元120、厚度计算单元130及厚度比较单元140。此外,PCB处置单元110、阻抗测量单元120、厚度计算单元130及厚度比较单元140经由例如通用接口总线(GPIB)的接口单元150彼此连接,使得可在所述组件当中传输信号。
在测量PCB12的至少一个绝缘层的厚度之前,PCB处置单元110可将PCB12从引入匣盒10中取出并将PCB12放置在PCB固持器(未展示)上。接着,在所述测量之后,PCB处置单元110可取决于测量的结果而将PCB12移动到引出匣盒20及30中的一者中。出于此目的,PCB处置单元110可包含能够在测量PCB12时固持PCB12的组件。当PCB处置单元110将PCB12定位于PCB固持器上且因此完成对测量PCB12的至少一个绝缘层的厚度的准备时,可经由接口单元150将指示所述准备的完成的信号传输到阻抗测量单元120。
阻抗测量单元120可将多个输入信号输入到PCB12的传输线,所述传输线位于所述绝缘层上。此外,阻抗测量单元120可响应于输入信号而接收从所述传输线传输的输出信号。此外,阻抗测量单元120可基于所述输入信号及输出信号而确定绝缘层的阻抗值。此处,所述信号中的每一者可具有相应(或不同)频率。
在确定阻抗值时,阻抗测量单元120可通过将输入信号的量值及相位与输出信号的量值及相位进行比较来计算绝缘层的S参数值。接着,阻抗测量单元120可通过使用S参数的反射系数(例如S11及S22)将S参数值转换成相应阻抗值。此外,可利用史密斯圆图来转换S参数值。此外,阻抗测量单元120可在史密斯圆图上绘制所转换阻抗值以使得可在视觉上将所述阻抗值通知给测试者。在阻抗测量单元120已确定PCB12的所有所要阻抗值之后,阻抗测量单元120可经由接口单元150将指示完成的信号发送到厚度计算单元130。
阻抗测量单元120可包含将输入信号输入到PCB的传输线并接收输出信号的射频(RF)探针122。在一些实例中,阻抗测量单元120可对准RF探针122使得可将RF探针122放置于PCB12的预定测试区(举例来说,传输线的各端)中。举例来说,阻抗测量单元120可使用安装于阻抗测量单元120中的相机装置捕获PCB12的试样的图像、通过处理所捕获图像识别测试区并使RF探针122移动到所识别测试区。或者,为了将RF探针122放置于PCB12的试样的预定测试区中,可由PCB处置单元110重新定位PCB12。举例来说,PCB处置单元110可使PCB12旋转或使PCB12沿横向或垂直方向移动使得所述测试区可位于RF探针122正下方。此外,在将测量多个PCB时,可针对第一PCB将关于RF探针122或PCB的布置的信息存储于存储器中,且接着可针对第二及后续PCB以相同方式使用所述信息。
厚度计算单元130可基于由阻抗测量单元120确定的阻抗值而计算PCB的至少一个绝缘层的厚度。举例来说,厚度计算单元130可在所述阻抗值当中选择具有最小虚部的阻抗值,且接着可基于选定阻抗值而计算厚度。随后将描述表示选定阻抗值与厚度之间的关系的方程式。在厚度计算单元130已计算PCB的至少一个绝缘层的厚度之后,厚度计算单元130可经由接口单元150将指示完成的信号与所计算厚度的数据一起发送到厚度比较单元140。
厚度比较单元140可确定所计算厚度是否属于预定范围。基于比较的结果,厚度比较单元140可确定PCB是否满足所要质量要求。举例来说,如果所计算厚度属于预定数值范围,那么可确定PCB满足所要质量要求,而如果所计算厚度不属于预定数值范围,那么可确定PCB有缺陷。接着,厚度比较单元140可经由接口单元150将指示所述确定的结果的信号发送到PCB处置单元110。接着,PCB处置单元110可基于所述信号而将对应PCB放置到引出匣盒20及30中的一者中。将参考图2到5更详细地描述设备100测量PCB的一个或一个以上所要层的厚度的方式。
图2A及2B分别为图解说明根据代表性实施例的具有测试区的PCB的示意图及横截面图。更详细地,2A是PCB200的平面图,且图2B是测试区220的沿着图2A的线b-b’截取的横截面图。
如图2A中所展示,PCB200可被划分成两个区:产品区210及测试区220。产品区210用于容纳电子组件,且测试区220经保留用于测试PCB200,测试区220上包含至少一个试样。区210及220两者上均定位有传输线及接地线。此外,测试区220包含与产品区210完全相同的层。也就是说,PCB200的测试区220经制造而具有与PCB200的产品区210实质上相同数目的相同厚度的层。
对于PCB200,对PCB200的测试区220中的试样中的至少一者执行测量绝缘层的厚度。在一些实例中,可取决于将测量的绝缘层的数目及位置而确定必需试样的数目。举例来说,如图2A中所展示,可提供三个试样230、240及250。
测试区220的试样230、240及250中的每一者包含相应传输线232、242或252及相应接地线234、244或254。传输线232、242及252中的每一者安置于将测量的相应绝缘层上,而接地线234、244及254中的每一者安置于所述绝缘层的相应下部部分中。举例来说,当期望测量总共三个绝缘层组合的厚度(例如,PCB200的第一(顶部)层222的厚度、第一层222到第四层228的厚度及第二层224的厚度)时,可准备总共三个试样230、240及250,如图2B中所展示。在此情况中,试样230可包含位于第一层222上的传输线232及位于第一层222的下部端部分中的接地线234,试样240可包含位于第一层222上的传输线242及位于第四层228的下部端部分中的接地线244,且试样250可包含位于第二层224上的传输线252及位于第二层224的下部端中的接地线254。此处,为了避免试样230、240及250的从中传输的信号之间的干扰,可在传输线232、242及252以及接地线234、244及254的右侧及左侧上安置其它接地线。
可取决于试样的设计规格、要求、情况等来确定传输线及接地线中的每一者的宽度及长度。举例来说,长度11、12及13可全部为14.4mm,试样230的传输线232的宽度W1可为150nm,且试样240的传输线242的宽度W2可为130nm,且试样250的传输线252的宽度W3可为100nm。然而,传输线及接地线可具有除具体描述以外的宽度及长度。
阻抗测量单元120的RF探针122可经由试样230、240及250的传输线232、242及252的第一侧端236、246及256输入多个输入信号且经由传输线232、242及252的相对侧端238、248及258接收经由传输线232、242及252传输的输出信号。在一些实例中,RF探针122可经由相对侧端238、248及258进一步输入多个输入信号且经由第一侧端236、246及256接收输出信号。接着,阻抗测量单元120可基于所述输入信号及输出信号而确定绝缘层中的每一者的阻抗值。具体来说,阻抗测量单元120可基于经由第一侧端236、246及256及相对侧端238、248及258输入的输入信号以及经由第一侧端236、246及256及相对侧端238、248及258输出的输出信号而计算绝缘层中的每一者的S参数值。举例来说,阻抗测量单元120可通过分别将经由侧端236及238输入的输入信号与经由侧端238及236输出的输出信号的量值及相位进行比较来计算第一层222的S参数值。
输入信号中的每一者具有相应频率。此处,可考虑到PCB200的材料、使用及结构而从预定范围选择输入信号的相应频率。举例来说,相应频率可在1GHz到4GHz的范围内。此外,可考虑到分辨率及测量时间而选择输入信号的数目。举例来说,信号的数目可在5到20的范围内。
图3A到3C图解说明根据代表性实施例的表示至少一个绝缘层的阻抗值的示范性结果的史密斯圆图。更详细地,图3A到3C分别是展示针对试样230、240及250所确定的示范性阻抗值的史密斯圆图。
举例来说,阻抗测量单元120可使用五个不同信号作为试样230、240及250中的每一者的输入信号。接着,阻抗测量单元120可针对试样230、240及250中的每一者计算五个S参数值。可通过阻抗测量单元120将所获取的S参数值转换成相应阻抗值。此外,可在史密斯圆图上绘制所转换阻抗值,如图3A到3C中所展示。
此外,阻抗测量单元120在所述阻抗值当中选择具有最小虚部的阻抗值。举例来说,参考图3A到3B,从针对试样230获得的阻抗值310、312、314、316及318当中选择具有最小虚部的阻抗值314,如图3A中所展示,从针对试样240获得的阻抗值320、322、324、326及328当中选择阻抗值326,如图3B中所展示,且从针对试样250获取的阻抗值330、332、334、336及338当中选择阻抗值334,如图3C中所展示。可将如上文所描述而选择的阻抗值314、326及334连同关于绝缘PCB的信息一起列出,如图4中所展示。
图4图解说明根据代表性实施例的至少一个绝缘层的阻抗值的示范性结果。参考图4,将由阻抗测量单元120针对试样中的每一者测量及选择的阻抗值连同关于绝缘PCB的信息(例如PCB版本、PCB编号及PCB的批号)一起列在表中。可经由接口单元150将这些阻抗值及PCB信息发送到厚度计算单元130。
图5图解说明根据代表性实施例的至少一个绝缘层的厚度的示范性结果。在厚度计算单元130从阻抗测量单元120接收到如图4中所展示的阻抗值之后,厚度计算单元130可基于所述阻抗值而计算厚度。可如下文所描述来导出用于基于阻抗值而计算绝缘层的厚度的方程式。
首先,关于试样中的每一者的传输线,可使用传输线的宽度W、传输线与对应接地线之间的距离(也就是说,将测量的相关层的厚度h)及相关层的介电常数εr作为参数来表达阻抗值,如下:
Figure BDA00003022955200081
    (1)
Figure BDA00003022955200082
Figure BDA00003022955200083
Figure BDA00003022955200084
  (2)
A = Z 0 60 ϵ r + 1 2 + ϵ r - 1 ϵ r + 1 ( 0.23 + 0.11 ϵ r )
B = 377 π 2 Z 0 ϵ r
针对将测量的层的厚度h重排方程式2,可获得以下方程式。
Figure BDA00003022955200087
Figure BDA00003022955200088
A = Z 0 60 ϵ r + 1 2 + ϵ r - 1 ϵ r + 1 ( 0.23 + 0.11 ϵ r )
B = 377 π 2 Z 0 ϵ r
可通过使用厚度计算单元130基于针对每一试样选择的阻抗值计算厚度来获得将测量的所有层的厚度。此外,厚度比较单元140可确定绝缘层的所计算厚度是否属于预定数值范围。举例来说,当第一层222及第二层224的厚度属于从40μm到60μm的范围且第一层222到第四层228的厚度属于从220μm到270μm的范围时,可确定PCB满足所要质量要求。从图5,可看出13号PCB被确定为有缺陷。
可经由接口单元150将PCB的厚度值及PCB信息发送到PCB处置单元110或可将其存储于分开的存储器中。
图6图解说明根据另一代表性实施例的用于测量PCB的至少一个绝缘层的厚度的过程的流程图。可使用包含PCB处置单元110、具有RF探针122的阻抗测量单元120、厚度计算单元130、厚度比较单元140及接口单元150的设备100来实施图6的方法。示范性过程可包含如一个或一个以上步骤S600、S610、S620、S630、S640、S650、S660及/或S670所图解说明的一个或一个以上操作、动作或功能。虽然图解说明为离散块,但可取决于所要的实施方案将各种块划分成额外块、组合成更少块或将其消除。处理可在步骤S600处开始。
在图6中所展示的步骤S600处,PCB处置单元110可将PCB放置于PCB固持器上。举例来说,为了测量PCB的至少一个绝缘层的厚度,PCB处置单元110可将PCB从引入匣盒10中取出并将所述PCB放置于PCB固持器上。
此后,可在步骤S610处对准PCB。举例来说,PCB处置单元110可通过使PCB旋转或使PCB沿横向或垂直方向移动来对准所述PCB使得RF探针122位于位于所述PCB的绝缘层上的传输线上。
此后,可在步骤S620处收集S参数值。举例来说,阻抗测量单元120可将多个输入信号输入到传输线中、从所述传输线接收输出信号并基于所述输入信号及输出信号而确定绝缘层的S参数值。
此后,可在步骤S630处将所收集S参数值转换成相应阻抗值。举例来说,阻抗测量单元120可通过使用史密斯圆图将针对绝缘层收集的S参数值转换成阻抗值。
此后,可在步骤S640处选择具有最小虚部的阻抗值。举例来说,阻抗测量单元120可在所述阻抗值当中选择具有最小虚部的阻抗值。
此后,可在步骤S650处基于选定阻抗值而计算厚度值。举例来说,厚度计算单元130可使用以下方程式基于绝缘层的阻抗值Z0及介电常数εr而计算厚度值h:
Figure BDA00003022955200091
Figure BDA00003022955200092
A = Z 0 60 ϵ r + 1 2 + ϵ r - 1 ϵ r + 1 ( 0.23 + 0.11 ϵ r )
B = 377 π 2 Z 0 ϵ r
此后,可在步骤S660处确定所计算厚度是否属于预定范围。在步骤S660处,厚度比较单元140可确定由厚度计算单元130计算的厚度是否属于预定范围。
此后,可在步骤S670处从PCB固持器取出PCB。举例来说,PCB处置单元110可从PCB固持器取出对应PCB。
使用上述方法,不管PCB的结构如何,均可在不损坏PCB的情况下准确且快速地测量PCB的所述至少一个绝缘层的厚度。此外,虽然已描述测量单个PCB的至少一个绝缘层的厚度的方法,但将明了,可通过重复上述过程来自动且快速地测量多个PCB的绝缘层的厚度。
尽管已展示并描述了各种代表性实施例,但所属领域的技术人员将理解,可做出各种改变及修改,此并不背离所附权利要求书中所界定的本发明的精神及范围。

Claims (12)

1.一种用于测量印刷电路板PCB的至少一个绝缘层的厚度的设备,所述至少一个绝缘层具有位于其上的传输线,所述设备包括:
阻抗测量单元,其经配置以将多个输入信号输入到所述传输线、从所述传输线接收输出信号,且基于所述输入信号及所述输出信号而确定所述至少一个绝缘层的阻抗值,其中所述输入信号中的每一者具有相应频率;及
厚度计算单元,其经配置以基于所述阻抗值而计算所述至少一个绝缘层的厚度。
2.根据权利要求1所述的设备,其中所述阻抗测量单元经配置以基于所述输入信号及所述输出信号而计算所述至少一个绝缘层的S参数值且将所述所计算S参数值转换成相应阻抗值。
3.根据权利要求1所述的设备,其中所述厚度计算单元经配置以从所述阻抗值当中选择具有最小虚部的阻抗值,且基于所述选定阻抗值而计算所述至少一个绝缘层的所述厚度。
4.根据权利要求3所述的设备,其中所述厚度计算单元经配置以根据以下方程式计算所述厚度:
Figure FDA00003022955100011
Figure FDA00003022955100012
A = Z 0 60 ϵ r + 1 2 + ϵ r - 1 ϵ r + 1 ( 0.23 + 0.11 ϵ r )
B = 377 π 2 Z 0 ϵ r
其中h为所述厚度,W为所述传输线的宽度,Z0为所述选定阻抗值,且εr为所述至少一个绝缘层的介电常数。
5.根据权利要求1所述的设备,其中所述设备进一步包括经配置以确定所述厚度是否属于预定范围的厚度比较单元。
6.根据权利要求1所述的设备,其中所述阻抗测量单元包含用于将所述输入信号输入到所述传输线的一端且从所述传输线的另一端接收所述输出信号的射频RF探针。
7.根据权利要求6所述的设备,其进一步包括经配置以使所述传输线与所述RF探针对准以使得所述RF探针位于所述传输线上的处置单元。
8.根据权利要求1所述的设备,其中所述至少一个绝缘层包含嵌入于其下部部分中的接地线。
9.一种测量印刷电路板PCB的至少一个绝缘层的厚度的方法,所述至少一个绝缘层具有位于其上的传输线,所述方法包括:
通过将多个输入信号输入到所述传输线、通过从所述传输线接收输出信号,且通过基于所述输入信号及所述输出信号而确定阻抗值,来测量阻抗值,其中所述输入信号中的每一者具有相应频率;及
基于所述所测量阻抗值而计算所述至少一个绝缘层的厚度。
10.根据权利要求9所述的方法,其中所述测量包括:
基于所述输入信号及所述输出信号而计算所述至少一个绝缘层的S参数值;及
将所述所计算S参数值转换成相应阻抗值。
11.根据权利要求9所述的方法,其中所述计算包括:
从所述阻抗值当中选择具有最小虚部的阻抗值;及
根据以下方程式计算所述厚度:
Figure FDA00003022955100032
A = Z 0 60 ϵ r + 1 2 + ϵ r - 1 ϵ r + 1 ( 0.23 + 0.11 ϵ r )
B = 377 π 2 Z 0 ϵ r
其中h为所述厚度,W为所述传输线的宽度,Z0为所述选定阻抗值,且εr为所述至少一个绝缘层的介电常数。
12.根据权利要求9所述的方法,其进一步包括确定所述厚度是否属于预定范围。
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