CN110307776B - 一种孔面铜一体化测厚装置及五端子测微电阻的测厚方法 - Google Patents
一种孔面铜一体化测厚装置及五端子测微电阻的测厚方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及金属测厚技术领域,公开了一种孔面铜一体化测厚装置及五端子测微电阻的测厚方法。测厚装置主要包括两个上下对称设置的夹具，夹具还包括两个气缸、安装气缸的安装板、保护平板和五端子测厚探头。测厚方法是将两个夹具的五端子测厚探头移动到测量位置，五端子测厚探头上的四个探针测量上下两面铜层的厚度，孔壁铜厚测量组件上下组合测量孔壁铜层的电压，进而计算电阻。根据孔壁铜层的直径、高度、电阻以及上下两面铜层厚度计算孔壁铜层的厚度。本发明在一种装置中可同时测量两种孔铜参数，简化了测量过程。
Description
技术领域
本发明涉及金属测厚技术领域，具体涉及一种孔面铜一体化测厚装置及五端子测微电阻的测厚方法
背景技术
随着电子技术的发展，电路板的应用越来越广泛，而电路板在制造时表面铜层及孔壁铜层的厚度会直接影响高频高速电路板的信号完整性，影响诸如信噪比，视频传输速率。目前只实现在线测量表面铜层厚度，孔壁铜层厚度依然采用人工测量方法。原理不同，探头不能共用，必须分开测量，这不仅影响产能，而且仪器摆放需要的空间大，受场地限制。
目前金属层测厚仪的原理大多是微电阻四探针法，具体的测量方法已在专利号为CN109556504A的专利文件中公开。这种方法和精密仪器原来用于实验室环境，四端子法没有抗干扰功能，而生产环境有大量强电干扰，自动在线仪器的机器人手臂上的橡胶吸盘也会产生的上千伏的静电干扰，这些都会导致测量误差成倍增加，由1％变成10％,完全不能使用。因此需要一种改进型的精确测厚装置和方法，用来抗干扰，保证测量精度。
其次孔铜采用涡流损耗测量原理，与面铜测厚的四端子探头原理不兼容，无法一体化使用。
再次，对于大的集成电路，其集成化越高，所用的电路板面积越小，孔壁铜的直径越小，现有涡流法探头，是一个单端插入式的探头，探头顶部探针直径0.7mm，长度5mm，需要将该探针完全插入到铜孔中测量厚度，然而这种方式中对直径小于0.7mm的孔壁铜孔无法测量。
另外，当测量电路板是薄板时，探头直接双面夹持测量，由于受力面积小，测量过程中会夹坏电路板。
发明内容
鉴于背景技术的不足，本发明是提供了一种孔面铜一体化测厚装置及五端子测微电阻的测厚方法，所要解决的技术问题是现有技术中的表面铜层厚度和孔壁铜层厚度分开测量、测量不方便、抗干扰性差和不能测量直径小于0.7mm的铜孔。
为解决以上技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种孔面铜一体化测厚装置，包括上下对称设置的两个夹具和一控制器，夹具包括第一安装板，第一安装板前面连接第一气缸，第一气缸的伸缩杆连接一L型第二安装板，第二安装板前面连接第一固定板，第一固定板前面设有五端子测厚探头，五端子测厚探头包括下面连接的测量表面铜层厚度的四个探针、一屏蔽探针和一孔壁铜厚测量组件，五端子测厚探头电连接控制器，五端子测厚探头两侧对称设有第一探头卡座和第二探头卡座，第一探头卡座和第二探头卡座朝向五端子测厚探头的一面均设有半圆形凹槽，五端子测厚探头固定在第一探头卡座和第二探头卡座连接形成的圆孔中。第一探头卡座背离五端子测厚探头的一面连接第一竖直板的一侧，第一竖直板另一侧连接第二固定板，第二固定板连接第二气缸的伸缩杆，第二气缸连接第一固定板的左端。第二探头卡座背离五端子测厚探头的一面连接第二竖直板，第二竖直板下端通过螺钉依次连接水平板和第一竖直板。五端子测厚探头穿过水平板。第一固定板下方连接保护平板，保护平板上对应五端子测厚探头设有一开口。
应用上述孔面铜一体化测厚装置的一种五端子测微电阻的测厚方法，包括以下步骤：
S1:分别移动两个夹具的五端子测厚探头到上表面铜层和下表面铜层的测量位置；
S2:五端子测厚探头上的四个探针依据微电阻四探针法测量上表面铜层和下表面铜层的厚度；
S3:在测量孔壁铜层的厚度时，两个夹具上的孔壁铜厚测量组件上下组合测量孔壁铜层两端的电压，进而计算电阻；
S4:根据孔壁铜层的高度、孔壁铜层的直径、孔壁铜层的电阻、上表面铜层厚度和下表面铜层厚度计算孔壁铜层的厚度；
保护平板的面积为4～400cm2，在测量中用于固定电路板，另外保护平板上面还安装有弹性件。
本发明采用的新型五端子测厚探头基于四端子测微电阻原理，包括检测表面铜层厚度的四个探针、检测孔壁铜层厚度的孔壁铜厚测量组件与抗干扰的屏蔽探针，能同时检测电路板的表面铜层厚度和孔壁铜层厚度。
进一步的，四个探针依据微电阻四探针法测量表面铜层厚度。
进一步的，孔壁铜厚测量组件至少包括两个探针且每个探针互相绝缘。孔壁铜厚测量组件测量时覆盖在待测电路板上的测量孔上，其探针的直径大于待测孔径，两个夹具的孔壁铜厚测量组件上下组合测量孔壁铜层的厚度。
进一步的，屏蔽探针连接有滤波电路，待测电路板上的干扰信号通过屏蔽探针传递到接地端。
控制器对五端子测厚探头的测量信号进行运算处理。
测厚装置中使用气缸控制五端子测厚探头的上下移动，第一气缸与第二气缸采用恒压驱动且两个气缸的压强相同。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：
1：电路板的表面铜层和孔壁铜层的一体化测量简化了测量过程，提高生产效率，减少场地限制。
2：测量时，夹具中的保护平板夹持待测电路板，保护平板面积大，夹持稳定，有利于保持原有精确测量效果。
3：待测电路板上的干扰信号通过屏蔽探针传递到接地端，抗干扰强，测量稳定。
4：孔壁铜厚测量组件测量孔壁铜层厚度时覆盖在待测孔表面，能测量孔径小于0.7mm的铜孔厚度。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明测量的孔铜结构示意图；
图2为本发明所述夹具的示意图；
图3为本发明所述微电阻四探针法测铜厚的示意图；
图4为本发明所述五端子测厚探头的示意图；
图5为现有微电阻四探针法测量时的电压波形图；
图6为孔面铜一体化测厚装置测量时的电压波形图；
图7为屏蔽探针与滤波电路的连接示意图。
附图说明：1、第一安装板，2、第二安装板，3、第一固定板，4、五端子测厚探头，5、第二竖直板，6、弹性件，7、保护平板，8、第二气缸，9、第二固定板，10、第一竖直板，11、第一探头卡座，12、第一气缸，13、开口，14、水平板，15、第二探头卡座，20、探针，21、孔壁铜厚测量组件，22、屏蔽探针，24、上表面金属层，25、绝缘介质，26、下表面金属层，30、上表面铜层，31、下表面铜层，32、孔壁铜层。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图2所示，一种孔面铜一体化测厚装置，包括上下对称设置的两个夹具和一控制器，夹具包括第一安装板1，第一安装板1前面连接第一气缸12，第一气缸12的伸缩杆连接一L型第二安装板2，第二安装板2前面连接第一固定板3，第一固定板3前面设有五端子测厚探头4，五端子测厚探头4包括下面连接的测量表面铜层厚度的四个探针20、一屏蔽探针22和一孔壁铜厚测量组件21，五端子测厚探头4电连接控制器，五端子测厚探头4两侧对称设有第一探头卡座11和第二探头卡座15，第一探头卡座11和第二探头卡座15朝向五端子测厚探头4的一面均设有半圆形凹槽，五端子测厚探头4固定在第一探头卡座11和第二探头卡座15连接形成的圆孔中。第一探头卡座11背离五端子测厚探头4的一面连接第一竖直板10的一侧，第一竖直板10另一侧连接第二固定板9，第二固定板9连接第二气缸8的伸缩杆，第二气缸8连接第一固定板3的左端，第二探头卡座15背离五端子测厚探头4的一面连接第二竖直板5，第二竖直板5下端通过螺钉依次连接水平板14和第一竖直板10。五端子测厚探头4穿过水平板14。第一固定板3下方连接保护平板7，保护平板7上对应五端子测厚探头4设有一开口13。
如图1所示，采用该孔面铜一体化测厚装置的一种五端子测微电阻的测厚方法，包括以下步骤：
S1:分别移动两个夹具的五端子测厚探头4到上表面铜层30和下表面铜层31的测量位置；
S2:五端子测厚探头4上的四个探针20依据微电阻四探针法测量上表面铜层30和下表面铜层31的厚度；
S3:在测量孔壁铜层32的厚度时，两个夹具上的孔壁铜厚测量组件21上下组合测量孔壁铜层32两端的电压，进而计算电阻；
S4:根据孔壁铜层32的高度、孔壁铜层32的直径、孔壁铜层32的电阻、上表面铜层30厚度和下表面铜层31厚度计算孔壁铜层32的厚度；
电路板的孔壁铜层展开后是一长方体铜板，假设该金属铜板的电阻率为a、长度为L、面积为S,根据电阻公式R＝a*L/S,若已知孔壁铜层的高度L,直径D，测量出该孔壁铜层的电阻即可计算该孔壁铜层的厚度。
图4的五端子测厚探头的示意图中，五端子测厚探头4包括测量表面铜层厚度的四个探针20、一测量孔壁铜层厚度的孔壁铜厚测量组件21和一屏蔽探针22。
孔壁铜厚测量组件21至少包括两个探针且每个探针互相绝缘。图4中的孔壁铜厚测量组件21的两个探针为同心圆结构，外围的探针提供测量电流，内部的探针测量孔壁铜层两端的电压。在某些实施方式中，孔壁铜厚测量组件21的两个测量探针也可分开装置测量。
如图7所示，屏蔽探针22一端接触上表面金属层24，另一端电连接电容C1,电容C1另一端电连接放大器Ai一输入端，放大器Ai另一输入端电连接接地端子GND。待测电路板上的干扰信号通过屏蔽探针22传送到接地端，提高测量精度。
保护平板7下面固定待测电路板，测量薄板时具有保护作用。待测电路板可选择滚轴传送机构运送至检测处，待测电路板在滚轴之间。为便于保护平板7固定待测电路板，保护平板7的面积应与滚轴之间的间隙适应，最大面积应小于或等于400cm2，相应的为了测量较小的电路板，保护平板7的最小面积应大于或等于4cm2。
保护平板7上安装的弹性件6可防止在第一气缸12或者第二气缸8突然断开气源后五端子测厚探头4撞击检测物体，保护五端子测厚探头4。
实际中，测量的电路板存在略微的差异性，为了适应更多的测量环境，五端子测厚探头4采用气缸恒压驱动进行微量自适应调整。测量时两个夹具的第一气缸12的伸缩杆带动所连接部分整体移动到检测位置，到达检测位置后，保护平板7双面夹持待测电路板，第二气缸8的伸缩杆带动五端子测厚探头4微量移动进行测量。
测量时两个夹具的五端子测厚探头4上的四个探针20根据微电阻四探针法分别测量上表面铜层30的厚度和下表面铜层31的厚度，两个夹具的孔壁铜厚测量组件21覆盖在待测铜孔上，上下组合测量孔壁铜层32两端的电压，进而计算电阻。根据上表面铜层30的厚度、下表面铜层31的厚度、孔壁铜层32的高度、直径和电阻计算孔壁铜层32的厚度。
如图5所示，现有的微电阻四探针法测量时，电压波动量为52mv。如图6所示，添加了屏蔽探针22后的五端子测厚探头4测量时，电压波动量为10mv，波动量是微电阻四探针法的20％，抗干扰性提高，测量精确度提高。
另外本发明即可用于在线测量也可用于离线测量。还可扩展用于金、银、铁、铝等所有导体的材料厚度和镀层厚度测量。
图3的微电阻四探针法测铜厚示意图中有一电流源和电压表。
上述依据本发明为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种孔面铜一体化测厚装置，其特征在于：包括上下对称设置的两个夹具和一控制器，所述夹具包括第一安装板，所述第一安装板前面连接第一气缸，所述第一气缸的伸缩杆连接一L型第二安装板，所述第二安装板前面连接第一固定板，所述第一固定板前面设有五端子测厚探头，所述五端子测厚探头包括下面测量表面铜层厚度的四个探针、一屏蔽探针和一孔壁铜厚测量组件，所述五端子测厚探头电连接所述控制器，所述五端子测厚探头两侧对称设有第一探头卡座和第二探头卡座，所述第一探头卡座和所述第二探头卡座朝向所述五端子测厚探头的一面均设有半圆形凹槽，所述第一探头卡座背离所述五端子测厚探头的一面连接第一竖直板的一侧，所述第一竖直板另一侧连接第二固定板，所述第二固定板连接第二气缸的伸缩杆，所述第二气缸连接所述第一固定板的左端，所述第二探头卡座背离所述五端子测厚探头的一面连接第二竖直板，所述第二竖直板下端通过螺钉依次连接水平板和所述第一竖直板，所述五端子测厚探头穿过所述水平板，所述第一固定板下方连接保护平板，所述保护平板上对应所述五端子测厚探头设有一开口；
所述保护平板上安装有弹性件；所述保护平板的面积为4～400cm2；
还可用于导体的材料厚度和镀层厚度测量。
2.根据权利要求1所述的孔面铜一体化测厚装置，其特征在于：所述孔壁铜厚测量组件为覆盖式测量结构，至少包括两个探针且每个探针互相绝缘，探针直径大于待测孔径。
3.根据权利要求1所述的孔面铜一体化测厚装置，其特征在于：所述屏蔽探针连接滤波电路。
4.根据权利要求1所述的孔面铜一体化测厚装置，其特征在于：所述第一气缸和第二气缸均采用恒压驱动且气压压强相同。
5.一种五端子测微电阻的测厚方法，应用如权利要求1-4任一项所述的孔面铜一体化测厚装置，其特征在于：包括如下步骤：
S1：分别移动两个夹具的五端子测厚探头到上表面铜层和下表面铜层的测量位置；
S2:五端子测厚探头上的四个探针依据微电阻四探针法测量上表面铜层和下表面铜层的厚度；
S3:在测量孔壁铜层的厚度时，两个夹具上的孔壁铜厚测量组件上下组合测量孔壁铜层两端的电压，进而计算电阻；
S4：电路板的孔壁铜层展开后是一长方体铜板，假设该金属铜板的电阻率为a、长度为L、面积为S,根据电阻公式R＝a*L/S,若已知孔壁铜层的高度L,直径D，其中孔壁铜层的高度L即为该金属铜板的长度L，测量出该孔壁铜层的电阻即可计算该孔壁铜层的厚度。
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