CN1593074A - 试样对准机构和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于印刷电路板或其它衬底的对准试样(20)，所述对准试样(20)可用于确定孔对外层特征的对准和焊料掩模的对准。对准试样(20)可以包括：提供在所述电路板上的对准孔(30)；在所述对准孔周围提供在所述衬底上的金属焊盘(60)和反焊盘(40)；以及用于覆盖所述金属焊盘(60)的焊料掩模(70)。

Description

试样对准机构和方法
技术领域
本发明涉及印刷电路板制造领域。更具体地说，本发明涉及一种图案设计(例如一种对准试样(coupon)机构)，其使得能够实时地进行外部特征对准评价。
背景技术
电子系统(例如计算机，打印机等)可被设计成具有一个或几个在电气上被连接在一起以便执行各种功能的印刷电路板。制造者可以遵循成熟的电路板装配程序，以便制造和装配一个功能完整的电路板。这个电路板装配程序可以具有4个有顺序的阶段，其中第二、第三和第四阶段在装配线环境下进行，而第一个阶段是预先进行的，即在脱机的场所进行，以试图加快装配线上的处理阶段。
第一阶段可以包括使用由一个或几个人员操作的熟知的手动设备或自动设备对各种可编程的电子元件编程。这些可编程的电子元件包括但不限于只读存储器(ROM)，可擦的可编程的只读存储器(EPROM)以及可电擦除的可重新编程的非易失存储器(一般称为闪存)。此后，在第二或第三阶段期间，可以把电子元件连接到电路板上。
第二和第三阶段可以包括通过多种熟知的技术借助于连接表面安装技术(SMT)元件，然后借助于通孔安装技术(THMT)元件，对电路板进行装配。例如，用于连接SMT元件到电路板上的技术可以包括以下操作：(i)涂覆焊膏，(ii)正确地放置SMT元件，元件以及(iii)回流焊接，以便在电路板中预先布线的总线和SMT元件之间建立连接。同样，用于连接THMT元件的技术可以包括以下操作：(i)正确地布置THMT元件，以及(ii)波动焊接。
制造电路板的最后阶段可以包括测试每个元件(即在电路中测试)，以及测试电路板的全部操作(即功能测试)，从而确定电路板是否正确工作。
希望在制造和装配处理中较早地发现印刷电路板(PCB)中的缺陷，以便避免不需要的装配。即，缺陷可能源自孔、通路、焊盘与/或元件的对准不良。例如，如果钻的孔和外层的焊盘对准不良，或者如果焊料掩膜没有正确地和外层焊盘对准，则可能发生对准不良。如果一个印刷电路板有缺陷，则在该电路板上安装电子元件可能浪费时间和金钱，因为该电路板可能被丢弃或者由于缺陷而退回制造者。因此需要一种能够容易且有效地识别有缺陷的印刷电路板的机构和方法。
附图说明
当结合附图阅读下面的示例的实施例的详细说明和权利要求后，可以清楚地看出上述内容并更好地理解本发明，所有这些都构成本发明所披露的内容的一部分。虽然上述的和下面写入的以及说明的内容都集中在所披露的本发明的示例的实施例上，但是应当清楚地理解，这些只是作为例子用于说明本发明，实际上，本发明不限于此。
下面给出附图的说明，其中相同的标号表示相同的元件，其中：
图1是按照本发明的一个示例的实施例的印刷电路板的设计；
图2表示按照本发明的示例的实施例的对准试样；
图3表示按照本发明的示例的实施例的通过两个对准测试的对准试样；
图4表示按照本发明的示例的实施例的一次对准测试不合格的对准试样；
图5表示按照本发明的示例的实施例的一次对准测试不合格的对准试样；
图6表示按照本发明的另一个示例的实施例的对准试样；以及
图7是表示按照本发明的示例的实施例用于形成对准试样和用于对对准试样进行视觉检查的流程图。
具体实施方式
在下面的详细说明中，使用相同的标号表示不同附图中的相同的、相应的或类似的元件。当为了说明本发明的示例的实施例而给出特定的细节时，本领域技术人员应当理解，在实施本发明时，这些特定的细节可以改变或者不改变。附图中表示的特征未按比例绘制。
本发明的示例的实施例涉及一种在衬底例如印刷电路板上的对准机构。虽然本发明的实施例讨论印刷电路板，但本发明不限于这种类型的衬底。其它的衬底例如包括外伸支架，合装包(二者的使用的部分和非使用的部分)，或者其它类型的载体。
图1表示按照本发明的一个示例的实施例的印刷电路板。其它的实施例和结构也在本发明的范围内。更具体地说，图1表示印刷电路板10，其具有至少一个一般多个电路元件，位于电路板10的第一表面或前表面附近。所述元件例如可以包括电阻12和13，电容器14，集成电路15和16，以及许多任何其它类型的电路元件、连接器或电路块。每个通孔电路元件具有导电的元件引线17。每个元件引线17可以从相关的元件延伸并通过穿过印刷电路板30形成的相应的引线孔。这些孔下文将被称为用于通孔安装元件的孔。印刷电路板10还可以包括被设置在预定位置上的多个导电焊盘18。印刷电路板10还可以包括位于位于前表面11附近的对准试样20。按照本发明的实施例，对准试样20可以在安装电阻12，13，电容14以及集成电路15，16之前被提供在印刷电路板10上。
本发明的实施例可以提供用于印刷电路板的对准试样(例如对准试样20)。对准试样可以包括若干个不同的特征，这些特征当组合在一起时便形成所述对准试样。这些特征可以包括提供在电路板中的对准孔。一个金属焊盘(例如铜焊盘)可被提供在电路板上的对准孔周围的区域内。可以由所述金属焊盘刻蚀一个负的图案(下文也称为“反焊盘(anti-pad)”或“反焊盘区域”)，使得露出构成叠层板的部分。然后可以把焊料掩模提供在印刷电路板上，包括在对准试样的金属焊盘上。形成的对准试样使得观察者能够立即评估外部对准例如孔(或通路)、外层焊盘和焊料掩模间隙的关键属性的质量。可以在制造或装配处理的期间的任何时刻进行视觉检查，以便确定该印刷电路板是合格的正确对准的电路板，或者是不合格的未正确地对准的电路板。
图2表示按照本发明的示例的实施例的对准试样。对准试样的其它的实施例和构型也落在本发明的范围内。更具体地说，图2表示对准试样20包括被提供在印刷电路板10上的对准孔30。对准孔30可以在印刷电路板30中形成其它的孔(例如用于通孔安装元件的孔)的同时被钻出(或形成)。对准孔30相对于对准试样20的其它元件的位置可用于确定印刷电路板10被正确地对准或未被正确地对准。这可以相应于其它的孔(例如用于通孔安装元件的孔)相对于某个电路板特征的正确对准。对准试样20还包括刻蚀的反焊盘40，焊料掩模间隙焊盘(clearance pad)50，焊料掩模(在金属上)60以及焊料掩模70。焊料掩模(在金属上)60以及焊料掩模70可以是一个焊料掩模。不过，为了容易进行说明，焊料掩模被用标号表示为作为覆盖金属焊盘的焊料掩模的部分焊料掩模(在金属上)60和作为不覆盖金属焊盘的焊料掩模部分的焊料掩模70。虽然在图2中不能看到，对准试样20包括被提供在焊料掩模(在金属上)60的表面下面的一个区域内的金属焊盘(例如铜焊盘)。这个金属焊盘的部分被刻蚀，从而形成相应于刻蚀的反焊盘40的部分。反焊盘40相应于印刷电路板10的被暴露的裸露的叠层。金属焊盘(也称为外层焊盘)借以被提供在焊料掩模(在金属上)60的下面的区域内，而不在刻蚀的反焊盘40的区域内。反焊盘40和金属焊盘(即对准试样20的外层焊盘)被成像，并使用和其它的PCB电路特征相同的过程基本上在同时被刻蚀。
对准孔30可以是在印刷电路板10上的一个最小的钻孔，虽然本发明的实施例也可以应用于和印刷电路板10的其它的孔的尺寸相同的甚至较大的对准孔30。孔的尺寸可以是在视觉上可接受的，以便进行独立的检查。即，所述的孔可以具有足够的尺寸，使得不用放大工具便可以被观看。作为一个例子，对准孔30具有50密耳的直径。在至少一个实施例中，对准孔30可以是非电镀的，以便避免浪费电镀材料，虽然本发明的实施例也可以应用于以类似于印刷电路板10的其它孔的方式电镀的对准孔30。
除去在印刷电路板10的外层成像处理期间被成像的其它的焊盘和PCB电路特征之外，金属焊盘(对准试样20的)可以被成像并被刻蚀，以便形成反焊盘40。即，反焊盘40表示印刷电路板10的暴露的裸露的叠层。作为一个例子，对准试样20可以包括4.0密耳的钻孔-外层圆环，其指的是每侧的用于设计反焊盘40的面积的数量(大于钻孔)。因而，反焊盘40的构型可以具有8.0密耳的大于对准孔30的直径。8.0密耳的较大的直径提供4.0密耳的圆环。因而，外层反焊盘40可以呈环形，例如具有58密耳的直径。反焊盘40可以具有其它的关键的属性/尺寸，以便评价钻孔和外层焊盘的对准。
焊盘掩模间隙焊盘50是暴露的金属(例如铜)，或者对准试样的金属焊盘的未被刻蚀的并未被焊料掩模(在金属上)60覆盖的部分。焊料掩模间隙焊盘50例如可以具有环形的形状，但是其它的形状也落在本发明的范围内。焊料掩模间隙焊盘50可以具有这样一个直径，其被设计等于外层反焊盘40的直径加上最小焊料掩模对准规范所需的直径。作为一个例子，焊料掩模间隙焊盘50可以具有+/-3.0密耳的焊料掩模对准。这样，焊料掩模间隙焊盘可以具有64密耳的直径，但是其它的直径也在本发明的范围内。
虽然图2示出了环形的反焊盘40和环形的焊料掩模间隙焊盘50，本发明的实施例也可以应用于对准试样20的这些特征的其它形状。这些特征可被设计为用于在较大的特征下或在较小的需要放大以便于检查的特征下进行独立的视觉检查。
对准试样20可以在装配或制造期间的任何时刻通过视觉进行检查，以便确定PCB 10的特征是被正确地对准或未被正确地对准。在一个实施例中，这种视觉检查可以在装配印刷电路板元件之前在PCB制造处理结束时进行。视觉检查可以包括观察焊料掩模间隙焊盘50相对于焊料掩模(在金属上的)60的位置，并观察对准孔30相对于反焊盘40的金属边沿的位置。这可以通过凭视觉观察印刷电路板10的顶面和底面，从而观看检查的位置与/或对准试样20的特征的关系。下面使用图3-图5所示的例子说明这种视觉观察。
在对准试样20的检查(或观察)期间，可以进行以下的测试：(1)孔对外层特征的对准测试；以及(2)焊料掩模对准测试。其它的测试也落在本发明的范围内。下面的讨论涉及接触或覆盖对准试样20的其它特征的元件。本领域技术人员应当理解，这相应于凭视觉观察这些元件并确定这些元件凭视觉看是否彼此接触/重合。
如果对准孔30凭视觉看不接触暴露的金属的边沿即反焊盘40的金属边沿，则PCB 10可以通过孔对外层特征的对准测试。如果凭视觉看对准孔30接触暴露的金属的边沿(即反焊盘40的金属边沿)，则PCB10不能通过孔对外层特征的对准测试。在另一方面，如果可以看到暴露的金属的周边(即焊料掩模间隙焊盘50)，则PCB 10可以通过焊料掩模对准测试。如果看不到暴露的金属(即焊料掩模间隙焊盘50)的整个周边，则PCB 10不能通过焊料掩模对准测试。用于对准评价的暴露的金属是功能标准，并且容易被识别。
用不同的方式说，视觉检查涉及对准孔相对于反焊盘40的金属边沿的位置以及焊料掩模间隙焊盘相对于外层焊盘的位置。本领域技术人员应当理解，如果对于反焊盘和焊料掩模间隙焊盘使用不同的形状，则视觉观察也将不同。
图3表示按照本发明的示例的实施例通过两个对准测试的对准试样22。更具体地说，图3表示对准孔30在视觉上被提供在刻蚀的反焊盘40的周边(或圆周)内，并位于在视觉上不和反焊盘40的金属边沿接触的区域内。因而，对准试样22(因而PCB 10)通过孔对外层焊盘对准测试，因为对准孔30在视觉上不和暴露的金属(即反焊盘40的金属边沿)接触。对准试样22通过焊料掩模对准测试，因为可以看到暴露的金属(即焊料掩模间隙焊盘50)的整个周边(或或圆周)。
图4表示按照本发明的示例的实施例未通过两个对准测试之一的对准试样20。更具体地说，图4表示在视觉上被提供在刻蚀的反焊盘40的圆周(或周边)内的对准孔30，但是焊料掩模间隙焊盘50在视觉上未形成在反焊盘40周围的完整角度的金属环。即，焊料掩模(在金属上的)60在视觉上覆盖焊料掩模间隙焊盘50的一部分，因而阻止看到整个金属圆环。因而，对准试样24(因而PCB 10)不能通过焊料掩模对准测试，因为暴露的金属(即焊料掩模间隙焊盘50)的整个周边(或或圆周)不能被完全看到。
图5表示按照本发明的示例的实施例未能通过两个测试之一的对准试样26。更具体地说，图5表示对准孔30在视觉上未被提供在环形的刻蚀的反焊盘40内，而是对准孔30在视觉上接触暴露的金属(即反焊盘40的金属边沿)。对准试样26(因而PCB 10)的孔对外层焊盘对准测试不合格，这是因为对准孔30在视觉上明显地和暴露的金属(即焊料掩模间隙焊盘50)重叠。如果对准孔30在视觉上仅仅接触沿着反焊盘40的边沿的暴露的金属，则这表示相切。
图6表示按照本发明的另一个示例的实施例的对准试样28。更具体地说，图6表示对准试样28包括对准孔30，刻蚀的反焊盘45，以及焊料掩模间隙焊盘55。这个实施例表示，刻蚀的反焊盘45和焊料掩模间隙焊盘55可以呈方形。其它的形状也落在本发明的范围内。
图7是表示按照本发明的示例的实施例的用于视觉检查对准试样的操作的流程图。其它的实施例、操作以及操作顺序也落在本发明的范围内。这个流程图用于表示在PCB的内层制造处理之后要进行的操作。即，块102表示开始外层制造处理。块104包括在包括对准孔30的PCB中钻(或形成)孔。在块106，在包括对准试样20的金属焊盘和反焊盘的PCB上可以施加(或成像)铜或金属焊盘。在块108，可以用已知的方式刻蚀金属焊盘。这可以形成反焊盘40和PCB的其它焊盘。在块106和108的操作也可以彼此相对同时地发生。这些操作可以包括预先清洁各个区域，涂覆光刻胶，曝光所需的图像和显影所需的图像。如上所述，在用于成像和形成其它的PCB电路特征的同一个外层成像处理期间，铜焊盘和反焊盘可被成像和刻蚀。在块110，在其上包括对准试样20的PCB上涂覆焊料掩模。这也可以包括预先清洁表面，涂覆焊料掩模，粘固焊料掩模，对图像曝光，显影和固化焊料掩模。这使得形成焊料掩模(金属上方)60和焊料掩模70。如上所述，可以在和在PCB的其它特征上施加和成像焊料掩模的同时在对准试样特征上施加和成像焊料掩模。在块112，可以在PCB上进行表面抛光。在块114，可以凭视觉检查PCB的对准试样，以便确定PCB是否通过对准测试，如上所述。这可以包括对准孔30相对于反焊盘40的金属边沿的位置的视觉检查和焊料掩模间隙焊盘50相对于焊料掩模(在金属上的)60的位置的视觉检查。
因而，本发明的实施例提供了视觉评估焊料掩模对外层焊盘对准的能力。这些实施例还提供视觉评估钻孔与/或通路和外层焊盘对准的能力。对准试样使得能够容易地进行视觉检查，以确定外层特征通过/通不过检验标准。当特征尺寸较小时，特别是球栅阵列(BGA)和芯片尺寸的封装(CSP)器件，这变得更加重要。在装配之前进行焊料掩模对准评估是十分有利的。
换句话说，本发明的实施例使得能够对于临界状态容易地确定外层特征通过/通不过检验，以便作用于外层钻孔/通孔、焊盘和焊料掩模的参数。可以设计包括标准特征允差的合格的/不合格的特征。对准试样在战略上可以被置于PCB的前方或后方的任何位置，例如位于高密度元件附近或作为目标基准。每个PCB可以含有一个对准试样，如上所述，或者包括一个以上的对准试样。可以在PCB制造设备或装配线上实时地进行检查。此外，通过设计在最坏的临界允差情况下接受/不接受特征，观察者通过彼此相对地检查每个属性，可以容易地凭视觉判断外层对准。如上所述，这些实施例可以应用于其它的衬底例如合装包和外伸叉架。
本说明中引用的“一个实施例”、“实施例”、“示例的实施例”等指的是结合所述实施例说明的特定的特征、结构或特点都被包括在本发明的至少一个实施例中。这种短语在本说明中的不同位置出现不一定都指同一个实施例。此外，当结合任何实施例说明特定的特征、结构或或特点时，则认为本领域技术人员结合其它的一些实施例能够实现这种特征、结构或特点。此外，为了容易理解，某个方法的步骤作为单独的步骤进行说明，不过这种被单独地说明的步骤不应当被解释为具有一定和其性能相关的顺序。即，某些步骤可以按照另外的顺序或者同时地等等被执行。
虽然参照若干个说明性的实施例说明了本发明，但是应当理解，本领域技术人员可以作出许多改变和改型，这些都落在本发明的范围内。更具体地说，不脱离本发明的构思，在上面的说明、附图以及所附的权利要求的范围内，对于所述的组合结构的零部件与/或布置都可以作出合理的改变和改型。除去零部件与/或布置的改变和改型之外，对于本领域技术人员，显然还具有许多其它的用途。

Claims (32)

1.一种用于衬底的对准试样，所述对准试样包括：
提供在所述衬底上的对准孔；
在所述对准孔周围提供在所述衬底上的金属焊盘；
由所述金属焊盘形成的反焊盘区域；以及
提供在至少一个所述金属焊盘上的焊料掩模。
2.如权利要求1所述的对准试样，还包括形成在未被所述焊料掩模覆盖的所述金属焊盘的部分上的间隙焊盘。
3.如权利要求2所述的对准试样，其特征在于，如果所述间隙焊盘包括在所述反焊盘区域周围视觉上可观察到的整个周边，则所述间隙焊盘表示正确的对准。
4.如权利要求2所述的对准试样，其特征在于，如果所述间隙焊盘不能在所述反焊盘区域周围形成视觉上可观察到的整个周边，则所述间隙焊盘表示不正确的对准。
5.如权利要求1所述的对准试样，其特征在于，所述对准孔相对于反焊盘区域的金属边沿的位置表示所述衬底的正确的对准和所述衬底的未正确的对准中的一种情况。
6.如权利要求1所述的对准试样，其特征在于，所述反焊盘区域包括一个圆形区域。
7.如权利要求1所述的对准试样，其特征在于，所述反焊盘区域包括一个方形区域。
8.如权利要求1所述的对准试样，还包括由形成在所述反焊盘区域上的所述焊料掩模在视觉上形成的圆环。
9.如权利要求1所述的对准试样，其特征在于，所述衬底包括印刷电路板。
10.一种在一面上提供有对准试样的衬底，所述对准试样在视觉上表示所述衬底的正确的对准和所述衬底的未正确的对准中的一种情况。
11.如权利要求10所述的衬底，其特征在于，所述对准试样包括：
提供在所述衬底上的对准孔；
在所述对准孔周围提供在所述衬底上的金属焊盘；
由所述金属焊盘形成的反焊盘区域；以及
提供在至少一个所述金属焊盘上的焊料掩模。
12.如权利要求11所述的衬底，还包括形成在未被所述焊料掩模覆盖的所述金属焊盘的部分上的间隙焊盘。
13.如权利要求12所述的衬底，其特征在于，如果所述间隙焊盘包括在所述反焊盘区域周围视觉上可观察到的整个周边，则所述间隙焊盘表示正确的对准。
14.如权利要求12所述的衬底，其特征在于，如果所述间隙焊盘不能在所述反焊盘区域周围形成视觉上可观察到的整个周边，则所述间隙焊盘表示未正确的对准。
15.如权利要求11所述的衬底，其特征在于，所述对准孔相对于反焊盘区域的金属边沿的位置表示所述衬底的正确的对准和所述衬底的未正确的对准中的一种情况。
16.如权利要求10所述的衬底，其特征在于，所述衬底包括印刷电路板。
17.一种用于在一个衬底上形成对准试样的方法，所述方法包括：
在所述衬底上提供对准孔；
在所述衬底上形成金属焊盘和反焊盘；以及
在至少一个所述金属焊盘上施加焊料掩模，使得形成所述对准试样。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在未被所述焊料掩模覆盖的所述金属焊盘的部分上形成间隙焊盘。
19.如权利要求18所述的方法，还包括凭视觉观察所述间隙焊盘，以便确定所述衬底的正确的对准和未正确的对准中的一种情况。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，如果所述间隙焊盘包括在所述反焊盘区域周围视觉上可观察到的整个周边，则确定具有正确的对准。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，如果所述间隙焊盘不能在所述反焊盘区域周围形成视觉上可观察到的整个周边，则所述间隙焊盘表示未正确的对准。
22.如权利要求17所述的方法，还包括凭视觉观察所述对准孔相对于反焊盘区域的金属边沿的位置，以便确定所述衬底的正确的对准和所述衬底的未正确的对准中的一种情况。
23.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述衬底包括印刷电路板。
24.一种用于确定一个衬底的正确的对准的方法，所述方法包括：
在所述衬底上提供一个对准试样；以及
用视觉观看所述衬底上的所述对准试样，从而确定所述衬底的正确的对准和所述衬底的未正确的对准中的一种情况。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述对准包括所述衬底的孔对外层特征的对准和所述衬底的衬底和焊料掩模的对准。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，提供所述对准试样包括：
在所述衬底上提供对准孔；
在所述衬底上形成金属焊盘和反焊盘；以及
在至少一个所述金属焊盘上施加焊料掩模。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，在未被所述焊料掩模覆盖的所述金属焊盘的部分上形成间隙焊盘。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，凭视觉观看所述对准试样包括凭视觉观察所述间隙焊盘，以便确定所述衬底的正确的对准和未正确的对准中的一种情况。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，如果所述间隙焊盘包括在所述反焊盘区域周围视觉上可观察到的整个周边，则所述衬底被确定具有正确的对准。
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，如果所述间隙焊盘不能在所述反焊盘区域周围形成视觉上可观察到的整个周边，则所述衬底被确定具有不正确的对准。
31.如权利要求26所述的方法，其特征在于，凭视觉观看所述对准试样包括凭视觉观察所述对准孔相对于反焊盘区域的金属边沿的位置，以便确定所述衬底的正确的对准和所述衬底的不正确的对准中的一种情况。
32.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述衬底包括印刷电路板。
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