CN112729084A - 一种通过电容测量与控制层偏的方法、系统、终端及介质 - Google Patents

一种通过电容测量与控制层偏的方法、系统、终端及介质 Download PDF

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Abstract

本发明属于电容测量技术领域，公开了一种通过电容测量与控制层偏的方法、系统、终端及介质，通过确定PCB板两层线路介质材料介电常数与层间厚度的比值以及PCB板两层线路的重叠面积，计算PCB板的电容测量值；基于对比计算得到的PCB板的电容测量值与理论电容值的大小，确定PCB板X方向与Y方向的层偏量，基于计算的层偏量进行层偏控制。本发明公开了一种利用电容测量层偏的特殊模块并为该模块设计了数学模型，推导出层偏的偏移量与电容之间的固定关系。通过测量模块的电容量即可确认不同层间的层偏。该方式无需使用昂贵的X‑ray设备，且操作方便快捷。本发明其测量所得的电容可以通过数学模型，能精确地确认层偏量。

Description

一种通过电容测量与控制层偏的方法、系统、终端及介质
技术领域
本发明属于电容测量技术领域，尤其涉及一种通过电容测量与控制层偏的方法、系统、终端及介质。
背景技术
目前，随着PCB产品要求的不断升级，对于不同层间线路的偏移量(以下简称“层偏”)要求也随之增高。传统的层偏测量方式主要有两种：
第一种为制作切片后使用显微镜测量不同线路间的层偏，这种方式需要破坏样本，制作切片测量，且每次仅可测量一个方向的偏移量。
第二种为使用带有测量功能的X-ray设备测量层偏，此方式在测量过程中需要昂贵的设备，且在测量过后无法得知不同层偏的层别。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的层偏测量方法会破坏样本，只能测量一个方向的偏移量；且设备昂贵，在测量过后无法得知不同层偏的层别。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种通过电容测量与控制层偏的方法、系统、终端及介质。
本发明是这样实现的，一种通过电容测量与控制层偏的方法，包括：
通过确定PCB板两层线路介质材料介电常数与层间厚度的比值以及PCB板两层线路的重叠面积，计算PCB板的电容测量值；
基于对比计算得到的PCB板的电容测量值与理论电容值的大小，确定PCB 板X方向与Y方向的层偏量，基于计算的层偏量进行层偏控制。
进一步，所述通过确定PCB板两层线路介质材料介电常数与层间厚度的比值以及PCB板两层线路的重叠面积包括：
将PCB板内平行两层线路设计为上下两个半径不同的圆PAD，将PCB板两层线路转换为平行电容；通过平行电容之间的电容关系确定上下两片电极板重叠的面积S。
进一步，所述通过平行电容之间的电容关系确定上下两片电极板重叠的面积S包括：
(1)建立两个半径不同的圆PAD的半径、重叠面积与圆心距的对照表；并得到偏移量与重叠面积关系的函数图像；
(2)通过电容测量仪测量上下两个圆PAD间的电容；同时测量上下两个方 PAD的电容，基于测量的上下两个方PAD的电容值，基于平行电容关系式，确定PCB板ε/4πkd的值，基于确定的PCB板ε/4πkd的值得到重叠面积值；
(3)通过对比计算得到的重叠面积值于步骤(1)建立的对照表中的位置确定层偏量区间值。
进一步，所述计算PCB板的电容测量值包括：
利用平行电容关系式计算电容测量值，所述平行电容关系式为：
Figure BDA0002865548660000021
其中，ε表示介电常数；S表示不同层间线路的重叠面积，k表示静电常数， d表示两层间的距离即层间介质层厚度。
进一步，所述基于对比计算得到的PCB板的电容测量值与理论电容值的大小，确定PCB板X方向与Y方向的层偏量包括：
层偏对应的叠面积关系式为：
Cβ＝(Sα-(S上0.25+S下0.25)*1000+S重叠*1000)*ε/4πkd
＝Cα-((S上0.25+S下0.25)*1000+S重叠*1000)*ε/4πkd
所以S重叠＝(Cβ-Cα)*4πkd/ε+(S上0.25+S下0.25)*1000
其中Cα为测得的模块α的电容，Cβ为模块β的电容；
S上0.25为上层线路
Figure BDA0002865548660000031
开窗应减少的面积，通过抽测10处上层线路开窗的直径平均值求得；
S下0.25为下层线路
Figure BDA0002865548660000032
开窗应减少的面积；通过抽测10处下层线路开窗的直径平均值求得；
S重叠为上下开窗重叠的面积，通过计算得出；
由此通过测量推导出上下层间偏移量。
本发明另一目的在于提供一种通过电容测量与控制层偏的系统，包括：
模块α：方PAD对照组，上下两层对齐的长方形线路，用以计算ε/4πkd；
模块β：在模块α旁边与模块α相同的长方形线路，并在两层方形线路中开窗多个圆形开窗。
进一步，在两层方形线路中开窗0.25mm的圆形开窗；每个圆心距离圆心 0.5mm，排列10*100个。
进一步，所述通过电容测量与控制层偏的系统进一步包括：
构建测量模型，用于建立基于电容的层偏测量模型；
模型建立模块，用于建立基于电容的层偏测量模型的偏移量与重叠面积关系的函数模型，确定层偏的偏移量与电容之间的固定关系；并设立对照表；
层偏确定模块，用于基于优化的基于电容的层偏测量模型进行层偏值确定；
层偏控制模块，用于基于确定的层偏值进行层偏控制。
本发明另一目的在于提供一种用于控制层偏的信息数据处理终端，所述用于控制层偏的信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行：
通过确定PCB板两层线路介质材料介电常数与层间厚度的比值以及PCB板两层线路的重叠面积，计算PCB板的电容测量值；
基于对比计算得到的PCB板的电容测量值与理论电容值的大小，确定PCB 板X方向与Y方向的层偏量，基于计算的层偏量进行层偏控制。
本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述通过电容测量与控制层偏的方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明公开了一种利用电容测量层偏的特殊模块并为该模块设计了数学模型，推导出层偏的偏移量与电容之间的固定关系。通过测量模块的电容量即可确认不同层间的层偏。该方式无需使用昂贵的X-ray设备，且操作方便快捷。
本发明通过设计好的模块，在不破坏样品，使用简单电学仪器的条件，利用测量电容的方式测得所测位置的层偏。其测量所得的电容可以通过数学模型，能精确地确认层偏量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的通过电容测量与控制层偏系统示意图。
图1中：1、模块α；2、模块β；3、构建测量模型模块；4、模型建立模块； 5、层偏确定模块；6、层偏控制模块。
图2是本发明实施例提供的平行电容示意图。
图3是本发明实施例提供的其重叠面积图.
图4是本发明实施例提供的设立坐标系图。
图5是本发明实施例提供的随着圆心距A变化两圆重合图像与面积关系的变化中A≤R-r图像。
图6是本发明实施例提供的随着圆心距A变化两圆重合图像与面积关系的变化中R-r＜A＜R+r图像。
图7是本发明实施例提供的随着圆心距A变化两圆重合图像与面积关系的变化中R+r≤A图像。
图8是本发明实施例提供的当A＞x时图像呈现图。
图9是本发明实施例提供的当A≤x时图像呈现图。
图10是本发明实施例提供的偏移量A与重叠面积S关系的函数图。
图11是本发明实施例提供的优化后的模块图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种通过电容测量与控制层偏的方法、系统、终端及介质，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明实施例提供的通过电容测量与控制层偏的方法包括：
通过确定PCB板两层线路介质材料介电常数与层间厚度的比值以及PCB板两层线路的重叠面积，计算PCB板的电容测量值；
基于对比计算得到的PCB板的电容测量值与理论电容值的大小，确定PCB 板X方向与Y方向的层偏量，基于计算的层偏量进行层偏控制。
优选地，所述通过确定PCB板两层线路介质材料介电常数与层间厚度的比值以及PCB板两层线路的重叠面积包括：
将PCB板内平行两层线路设计为上下两个半径不同的圆PAD，将PCB板两层线路转换为平行电容；通过平行电容之间的电容关系确定上下两片电极板重叠的面积S。
优选地，所述通过平行电容之间的电容关系确定上下两片电极板重叠的面积S包括：
(1)建立两个半径不同的圆PAD的半径、重叠面积与圆心距的对照表；并得到偏移量与重叠面积关系的函数图像；
(2)通过电容测量仪测量上下两个圆PAD间的电容；同时测量上下两个方 PAD的电容，基于测量的上下两个方PAD的电容值，基于平行电容关系式，确定PCB板ε/4πkd的值，基于确定的PCB板ε/4πkd的值得到重叠面积值；
(3)通过对比计算得到的重叠面积值于步骤(1)建立的对照表中的位置确定层偏量区间值。
优选地，所述计算PCB板的电容测量值包括：
利用平行电容关系式计算电容测量值，所述平行电容关系式为：
Figure BDA0002865548660000061
其中，ε表示介电常数；S表示不同层间线路的重叠面积，k表示静电常数， d表示两层间的距离即层间介质层厚度。
优选地，所述基于对比计算得到的PCB板的电容测量值与理论电容值的大小，确定PCB板X方向与Y方向的层偏量包括：
层偏对应的叠面积关系式为：
Cβ＝(Sα-(S上0.25+S下0.25)*1000+S重叠*1000)*ε/4πkd
＝Cα-((S上0.25+S下0.25)*1000+S重叠*1000)*ε/4πkd
所以S重叠＝(Cβ-Cα)*4πkd/ε+(S上0.25+S下0.25)*1000
其中Cα为测得的模块α的电容，Cβ为模块β的电容；
S上0.25为上层线路
Figure BDA0002865548660000062
开窗应减少的面积，通过抽测10处上层线路开窗的直径平均值求得；
S下0.25为下层线路
Figure BDA0002865548660000063
开窗应减少的面积；通过抽测10处下层线路开窗的直径平均值求得；
S重叠为上下开窗重叠的面积，通过计算得出；
由此通过测量推导出上下层间偏移量。
如图1所示，本发明提供一种通过电容测量与控制层偏的系统，包括：
模块α1：方PAD对照组，上下两层对齐的长方形线路，用以计算ε/4πkd；
模块β2：在模块α旁边与模块α相同的长方形线路，并在两层方形线路中开窗多个圆形开窗。在两层方形线路中开窗0.25mm的圆形开窗；每个圆心距离圆心0.5mm，排列10*100个。
构建测量模型3，用于建立基于电容的层偏测量模型；
模型建立模块4，用于建立基于电容的层偏测量模型的偏移量与重叠面积关系的函数模型，确定层偏的偏移量与电容之间的固定关系；并设立对照表；
层偏确定模块5，用于基于优化的基于电容的层偏测量模型进行层偏值确定；
层偏控制模块6，用于基于确定的层偏值进行层偏控制。
下面结合具体实施例对本发明的技术效果作进一步描述。
实施例1：
1、电容测量与管控层偏的原理
PCB板内两层线路互相平行，将上下两层设计为相同的图形即可看做平行电容。可以通过平行电容之间的电容关系确定上下两片电极板重叠的面积S。
平行电容关系式：
Figure BDA0002865548660000071
其中ε代表介电常数、S代表不同层间线路的重叠面积，k代表静电常数，d 代表两层间的距离即层间介质层厚度。
根据上述原理与关系式。本发明可以通过10000um*10000um(10mm*10mm) 的上下图形确认该层介质材料介电常数与层间厚度的比值ε/d(面积基数较大，层偏与图形大小差异仅影响最终结果的0.5％左右)。再通过测量250um*250um的图形确认上下图形的重叠面积。若电容测量值小于理论电容值的16/25时则该处 X方向与Y方向层偏量都大于50um。如图2所示，平行电容示意图。
2、设计模块与建立数学模型
2.1模块设计
通过上述理论推断可知，层偏通过影响不同层间的图形重叠面积从而影响层间电容。但上述试验只能证明层偏能够有规律的影响该两层线路间的电容，无法确认具体的层偏量。根据上述结论，本发明可以在两层设计两个相同的圆 PAD。随着上下圆PAD的圆心距离变化，两个圆之间的重叠面积也会随着变化。
其重叠面积如图3所示(俯视图)：从左到右圆心距依次增大，重叠面积随着圆心距的增大而减小。
由图3可知随着圆心距离(层偏量)的增加重叠面积会随之减小。即当测得的电容值小于50um圆心距的电容标准值时，层偏量一定大于50um。
2.2关系推导
通过上述所建立的模块建立坐标系：如图4设立坐标系所示。
设直径较大的圆为圆R，半径为R；直径较小的圆为圆r，半径为r；两个圆的圆心距为A将圆R的圆心作为原点，圆R到圆r的射线为X坐标方向，y方向与其垂直。
表1随着圆心距A变化两圆重合图像与面积关系的变化
Figure BDA0002865548660000081
通过图形本发明可以得知，当R-r＜A＜R+r时两个圆有交点c、d，设为c (x，y)与d(x，-y)。本发明可以得到方程x2+y2＝R2，(X-A)2+y2＝r2。解得x＝(R2-r2-A2)/2A,y2＝R2-(R2-r2-A2)/2A
当A＞x时图像呈现图8所示情形：
此时重叠面积＝圆r面积-圆r未重叠的面积，圆r未重叠面积又等于(S扇形cRd-S△cRd)-(S扇形crd-S△crd)，所以此时重叠面积S＝πr2-R2*arctan (x，y)+Ay+r2*arctan(x-A，y)。
当A≤x时图像呈现图9所示情形：
此时重叠面积等于(S扇形cRd-S△cRd)+(S扇形crd-S△crd)，所以此时重叠面积S＝R2*arctan(x，y)-xy+r2*arctan(A-x，y)-(A-x)y.
2.3建立函数模型并设立对比表
根据推导关系总结如下：
表2圆心距A在不同值域下的关系式
Figure BDA0002865548660000091
根据上述关系式可以在Excel中建立一个表格。在表格中输入R、r、A三者后即可输出重叠面积的值。
表3重叠面积与R、r以及圆心距A的对照表。
Figure BDA0002865548660000092
Figure BDA0002865548660000101
在实际使用该函数的过程中因为A难以计算，又因为整体函数在f(A)在[R-r， R+r]范围内单调递增。所以可以使用数值法确认A层偏量的区间：
本发明以R：125um r：100um为例制作数据表与其数学函数模型。
(1)首先在表中输入A：1,2,3,4…200um，共200组数据。
(2)测量两面线路圆PAD半径，按大小分别输入R125um、r100um。excel 会分别计算出200组所对应的面积。可以得到下表。
表4R125um、r100um时重叠面积S(um2)与圆心距A(um2)的对照表
Figure BDA0002865548660000102
通过上表数据将本发明可以绘制出如图10所示的偏移量A与重叠面积S关系的函数图像。
(3)通过电容测量仪测量上下两面圆R与圆r间的电容CRr，再测量出 1000um*1000um的上下两个方PAD的电容C10000，根据C10000＝εS10000/4πkd 确定该板ε/4πkd的值，并带入C250＝εS250/4πkd，求得S250。
(4)通过对比S250在数据表的位置确认层偏量。以上表为例子，若重叠面积为313250um2时。则可以通过数据表对比得出该PAD模块层偏量介于27-28um 之间。
表5对照表(表4)节选
A(um) S(um<sup>2</sup>)
27 31300.8
28 31208
3、模块的优化
3.1模块优化
在实际使用的过程中，假设采用0.08mm介质层的芯板，上下两面
Figure BDA0002865548660000113
的两个PAD之间的电容值应该在2.17*10-2pF左右。该数值范围内的电容值，难以使用常规的电容测量仪测出。同样采用将1000对PAD并联后再测量，虽然电容值可以测得，但并联用的导线会增加重叠面积，干扰测试结果。
于是本发明将模块重新优化后，通过电容来测量，优化后模块：如图11优化后的模块图。
模块α：方PAD对照组，上下两层对齐的6mm*60mm长方形线路，用以计算ε/4πkd。
模块β：在α旁边与模块α相同的长方形线路，并在两层方形线路中开窗 0.25mm的圆形开窗。每个圆心距离圆心0.5mm，排列按照10*100排列共1000个。
层偏所对应的叠面积关系式为：
Cβ＝(Sα-(S上0.25+S下0.25)*1000+S重叠*1000)*ε/4πkd
＝Cα-((S上0.25+S下0.25)*1000+S重叠*1000)*ε/4πkd
所以S重叠＝(Cβ-Cα)*4πkd/ε+(S上0.25+S下0.25)*1000
其中Cα为测得的模块α的电容，Cβ为模块β的电容；
S上0.25为上层线路
Figure BDA0002865548660000111
开窗应减少的面积，通过抽测10处上层线路开窗的直径平均值求得；
S下0.25为下层线路
Figure BDA0002865548660000112
开窗应减少的面积；通过抽测10处下层线路开窗的直径平均值求得。
S重叠为上下开窗重叠的面积，通过计算得出；
由此即可通过测量推导出上下层间偏移量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通过电容测量与控制层偏的方法，其特征在于，所述通过电容测量与控制层偏的方法
通过确定PCB板两层线路介质材料介电常数与层间厚度的比值以及PCB板两层线路的重叠面积，计算PCB板的电容测量值；
基于对比计算得到的PCB板的电容测量值与理论电容值的大小，确定PCB板X方向与Y方向的层偏量，基于计算的层偏量进行层偏控制。
2.如权利要求1所述的通过电容测量与控制层偏的方法，其特征在于，所述通过确定PCB板两层线路介质材料介电常数与层间厚度的比值以及PCB板两层线路的重叠面积包括：
将PCB板内平行两层线路设计为上下两个半径不同的圆PAD，将PCB板两层线路转换为平行电容；通过平行电容之间的电容关系确定上下两片电极板重叠的面积S。
3.如权利要求2所述的通过电容测量与控制层偏的方法，其特征在于，所述通过平行电容之间的电容关系确定上下两片电极板重叠的面积S包括：
(1)建立两个半径不同的圆PAD的半径、重叠面积与圆心距的对照表；并得到偏移量与重叠面积关系的函数图像；
(2)通过电容测量仪测量上下两个圆PAD间的电容；同时测量上下两个方PAD的电容，基于测量的上下两个方PAD的电容值，基于平行电容关系式，确定PCB板ε/4πkd的值，基于确定的PCB板ε/4πkd的值得到重叠面积值；
(3)通过对比计算得到的重叠面积值于步骤(1)建立的对照表中的位置确定层偏量区间值。
4.如权利要求1所述的通过电容测量与控制层偏的方法，其特征在于，所述计算PCB板的电容测量值包括：
利用平行电容关系式计算电容测量值，所述平行电容关系式为：
Figure FDA0002865548650000021
其中，ε表示介电常数；S表示不同层间线路的重叠面积，k表示静电常数，d表示两层间的距离即层间介质层厚度。
5.如权利要求1所述的通过电容测量与控制层偏的方法，其特征在于，所述基于对比计算得到的PCB板的电容测量值与理论电容值的大小，确定PCB板X方向与Y方向的层偏量包括：
层偏对应的叠面积关系式为：
Cβ＝(Sα-(S上0.25+S下0.25)*1000+S重叠*1000)*ε/4πkd
＝Cα-((S上0.25+S下0.25)*1000+S重叠*1000)*ε/4πkd
所以S重叠＝(Cβ-Cα)*4πkd/ε+(S上0.25+S下0.25)*1000
其中Cα为测得的模块α的电容，Cβ为模块β的电容；
S上0.25为上层线路
Figure FDA0002865548650000022
开窗应减少的面积，通过抽测10处上层线路开窗的直径平均值求得；
S下0.25为下层线路
Figure FDA0002865548650000023
开窗应减少的面积；通过抽测10处下层线路开窗的直径平均值求得；
S重叠为上下开窗重叠的面积，通过计算得出；
由此通过测量推导出上下层间偏移量。
6.一种通过电容测量与控制层偏的系统，其特征在于，所述通过电容测量与控制层偏的系统包括：
模块α：方PAD对照组，上下两层对齐的长方形线路，用以计算ε/4πkd；
模块β：在模块α旁边与模块α相同的长方形线路，并在两层方形线路中开窗多个圆形开窗。
7.如权利要求6所述的通过电容测量与控制层偏的系统，其特征在于，在两层方形线路中开窗0.25mm的圆形开窗；每个圆心距离圆心0.5mm，排列10*100个。
8.如权利要求6所述的通过电容测量与控制层偏的系统，其特征在于，所述通过电容测量与控制层偏的系统进一步包括：
构建测量模型，用于建立基于电容的层偏测量模型；
模型建立模块，用于建立基于电容的层偏测量模型的偏移量与重叠面积关系的函数模型，确定层偏的偏移量与电容之间的固定关系；并设立对照表；
层偏确定模块，用于基于优化的基于电容的层偏测量模型进行层偏值确定；
层偏控制模块，用于基于确定的层偏值进行层偏控制。
9.一种用于控制层偏的信息数据处理终端，其特征在于，所述用于控制层偏的信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行：
通过确定PCB板两层线路介质材料介电常数与层间厚度的比值以及PCB板两层线路的重叠面积，计算PCB板的电容测量值；
基于对比计算得到的PCB板的电容测量值与理论电容值的大小，确定PCB板X方向与Y方向的层偏量，基于计算的层偏量进行层偏控制。
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～5任意一项所述通过电容测量与控制层偏的方法。
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