铜特征的对准，无论是与互连对准还是相互对准，都是行业公开信息中记录案例较少的主题，除了备份数据最少的个别供应商市场营销之外。传统上，这一领域由单个工厂记录，涉及多个工艺，设备制造商/型号的变化很大，甚至不同工厂之间的基础材料也有很大差异。本文仅介绍当前的Pareto前沿对准系统设计架构，供PCB制造工程师参考。
通常，对准系统设计涉及管控与特征对准相关的材料清单和工艺清单的相互作用。工艺清单包括设备、相关程序和操作顺序。材料清单涉及ERP文档中指定的材料和工装文件。
工艺步骤清单可以分解为3类：
- 补偿和测量步骤（成像、钻孔、冲孔、阻焊膜的机械对准、内层的对齐、AOI）
- 非弹性工艺步骤(电镀、多层压合、机械刷洗、>Tg烘烤)
- 弹性和噪声步骤(在制板处理、边缘加工、干膜层压、等离子体、微蚀等)
以下是工艺工程师应为每个类别考虑的一般设计考虑因素。虽然本文未详尽列出所有因素，但涵盖了主要变量。本文还列出了绝大多数工厂尚未采用的8种常见的最佳实践方法，这些方法已被证明在提高对准系统性能方面具有很高的投资回报率。
注：如果将下列因素全部考虑在内，通常会将减少50%以上对准误差。
1.补偿和测量步骤
补偿和测量工艺步骤由3个常规子工艺步骤组成。
产品的环境稳定性
在补偿和测量之前稳定产品是经常被忽视的主题。失效案例通常包括在半固化片层压、干膜层压或工艺中烘烤/干燥后在制板仍然有余温时，进行钻孔或成像处理。在最新的工厂中，通常在每次热偏移后的工艺组合中加入定时缓冲器，以促进稳定。电镀后，进行铜退火烘烤很重要，如果不这样做，且作业快速通过设备，压力下的层压设备会产生沉积的退火/去应力，导致不可预测的缩放因子。
解决方案1：成像目标的CCL序列化/预工装
一种常见的解决CCL稳定性控制的方法，以及为每个芯材提供单独的可追溯性，包括（通过机械或激光）在每个CCL中钻贯穿孔2D代码和缩小成像基准点。这样可视基准点为合格/不合格的测量点，判断成像之前材料是否在标称位置。一些工厂还在同一台设备上放置后测量基准点，并将其保存到设备数据库中的2D码中。可利用分配给CCD相机与机械或激光处理之间每个误差代码的偏移量，成像时有更多冗余。
基准点的测量
基准点质量、设计和定位对于确保测量值代表PCB至关重要。作为一般规则，每个基准点位置至少有4个可以分析的目标，以及在低质量分数检测到基准点损坏的情况下，在互补偏移位置上的4个备用目标。许多工厂仍然使用一个孔或一个基准点，这就像设计具有单点故障的工艺一样。
重要的是用于目标采集的相机/传感器。白光、双波长和X射线测量目前都用于动态扫描和固定相机模式。每个传感器/摄像头都有已知误差，传感器类型/质量必须符合产品公差要求。由于工厂工艺工程师未能向供应商传达详细的产品要求，无法确保选择适当的相机/传感器，因此将错误的传感器用于错误的应用是行业中的常见问题。最常见的故障是在多种材料的工厂中使用简单的相机，然后跳过每种材料所需的详细相机灯光设置校准工作。相比之下，X射线完全不易受这个问题的影响，例如，双波长系统以合理的价格极大地减少了潜在的误差。这是 “不论早还是晚，早晚都得付出”的决定(即资本支出对比报废成本)。
对齐和定位
大多数设备的对齐算法通常是正交或梯形的，尽管自2017年以来，多家设备供应商已经提供了任意点补偿功能。尽管如此，最常见的对齐方法仍然是四角对齐。在具有严格公差要求的多层板上，在子在制板级别的4个角进行对准，以实现改进的优化——通常称之为局部对准。
解决方案2：针对定位误差的钻孔位置补偿
放置激光或机械对齐目标后，重新测量孔并记录其尺寸/位置很有价值。通过这样做，可以识别出孔应该放置的位置与轴或激光头实际放置孔的位置之间的误差。特别是对于机械孔，偏移通常可以达到1mil或更多，尤其是在板的出口侧。通过测量，并在随后的钻孔或成像操作中应用测量的偏移量，可以消除定位误差，并且相比非常低的运营成本投资，生产能力的收益很高。使用2D码时，该系统效果最好，因为可以将偏移量保存到数据库中的每个2D码行。
2.非弹性工艺步骤
总的来说，这一系列步骤是必要的，必须不断地建模和控制。它涉及非常强的工艺和产品结合相互作用。一些潜在的工艺也与较薄介质产品的紧密对准公差不兼容，需要尽可能避免。非弹性工艺步骤通常会导致非线性误差，是四点工装系统无法测量的，并且许多工厂经常将其描述为“随机移动”和“游动”。
解决方案3：非弹性工艺表征的非线性分析
四角基准点定位不能检测非线性误差，补偿算法一般都是线性的。这只是因为没有足够的点来确定单个轴的形状，因为每个轴只有两个点来构成这条线(即X1、X2、Y1、Y2)。引人注目的是，如果添加更多的基准点（例如在每个轴的中点），在高阶设计（尤其是对于较薄的介质）中，非线性误差往往会超过线性误差。
有两种方法可以解决这个问题。可以使用八点或更多的工装来表征误差，并在全局范围内进行非线性最佳拟合（这会增加成本），并且/或者可以将八点作为首件产品报告工艺的一部分进行分析，以确定是否有必要使用。除了这些质量控制检查之外，我发现非线性分析最有价值的用途是优化压合周期。在多层层压之前和之后测量八点系统时，发现约20%的非线性误差已经存在于蚀刻后移动的芯材中，且平均80%的非线性误差源自压合。由于过去压合周期优化并不涉及来自非线性误差的反馈，因此通常很容易稍微调整周期并将非线性误差减少50%或更多。实现这一目标的关键变量是降低熔融黏度、延长凝胶时间、降低压力。
以这种方式进行优化还可以减少Z轴失真，从而提高背钻能力和信号完整性。非线性分析甚至可以使用户选择具有更合理压合周期的不同材料。
解决方案4：使用化学平面化，消除对环氧树脂通孔填充进行机械刷洗的需要
机械刷洗是尺寸稳定性的大敌，随着在制板厚度的减小，问题会更加严重。新的工艺是使用普通金属精饰行业的环氧树脂漆剥离剂来去除表面的环氧树脂，同时不会影响孔中的环氧树脂。这种方法已被证明是具有环氧树脂通孔填充要求的薄产品的革命性解决方案。
解决方案5：消除图形电镀（使用全板电镀+铜减薄）
图形电镀表面平整化是另一种机械刷洗应用，在北美特别流行，目的是补偿传统电镀设备能力。如今的替代方法利用了最新的电镀单元设计，再加上化学蚀刻减薄铜。采用最新单元设计的镀铜表面分布可以实现低至2%~5%的表面厚度变化，蚀刻减薄效果类似。这些表面公差优于图形电镀的机械平整化，从而提高了良率和SI性能。
3.弹性和噪声步骤
弹性和噪声操作对对准工艺的影响很小，但在指定设备时仍必须考虑。如果不考虑夹具/吸盘放置以避免基准点损坏、干膜覆盖区域和夹具接触位置等因素，可能会使对准系统无法操作。
解决方案6：边缘对齐和加工
在多数工厂中，边缘对齐是经常被忽视的问题。通过相机测量覆铜板的边缘位置，然后钻取成像基准点/2D码，通常可以节省几毫米的在制板面积。然而更重要的是，它降低了层压后的闪布线补偿。这对于顺序层压产品尤其重要，每次削减太多可能导致需要准备不同干膜尺寸的额外库存，甚至损坏工装基准点。切割不足会带来玻璃纤维和树脂碎屑产生颗粒的风险，因为如果切割不足，边缘会多次去钻污操作，导致碎屑形成（如果不加以处理，通常会导致SBU产品上出现更多的镀层结节和成像缺陷）。
材料清单也可以分为3类：
- 叠层
- 工装框架和子框架布局加盗窃策略
- 制造补偿因子
由于篇幅原因本文节选刊登，更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》23年12月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
