我们的许多客户都希望我们帮助他们完成平面度测量项目。有时，他们希望在花钱用他们的产品和设备填充基材之前验证他们的基材。其他时候，他们希望验证成品零件表面的平整度或共面性，以查看它是否符合他们最初提出的设计公差。
当表面较大时，例如尺寸大于 250 毫米或 10 英寸，测量低至微米级的平面度变得更具挑战性。这是因为运动过程（传感器的扫描）会对测量结果产生误差。选择合适的测量传感器和运动控制设备非常重要。让我们来看看微米级平面度测量需要考虑的事项。
选择正确的测量设备以获得微米级结果
如果您尝试解析微米领域的测量，则需要选择具有足够分辨率的传感器，以“看到”您试图达到的值。这意味着您需要一个亚微米分辨率的传感器才能测量到个微米的公差。通常，我们建议在测量分辨率与测量容差之间使用 10：1 的比率。如果您的平面度公差为 +/-3 微米，则您的传感器至少应该能够看到低至 300 纳米的高度变化。
还需要根据您要测量的表面特性来选择传感器。如果表面是反光或透明的，则某些传感器比其他传感器更好。同样，如果您需要在每个表面上收集大量数据，则传感器充当“数组”以快速收集更多数据。最后，根据表面的纹理，传感器用于测量的点大小或形状变得很重要。光滑的表面更宽容，并允许使用更广泛的传感器选择。
下面我们显示了一块玻璃的粗糙度。这件作品在微观层面上看起来和感觉非常不同。当用肉眼观察它时，除了一个完全平坦的表面之外，你看不到任何东西。然而，在显微镜下，一切都变了。
上面的玻璃表面由共聚焦显微镜成像。并非所有表面都会如此平坦，有些表面会显得更平滑。
选择适合您需求的扫描系统
一旦选择了传感器技术，一个同样重要的决定就在等待着。定位（或扫描）系统对于扫描过程结果的精度至关重要。如果定位系统在表面上移动传感器时产生误差。您的测量结果也会嵌入这些误差。
显示使用点传感器的扫描过程。在这里，我们正在扫描安装在电路板上的芯片。
定位系统的误差运动需要在测量的公差预算中考虑。在上面的示例中，我们讨论了测量传感器的 300nm 容差。尚未考虑的是扫描设备的位置精度和可重复性。如果公差为 +/-3 微米，则需要为扫描运动设备留出一些误差预算。在这种情况下，我们建议尽可能保持 10：1 的比例。但有时经济状况并未按照我们想要的方式进行。为了保持这一比率并实现 +/-300 纳米的测量可重复性，我们通常需要部署空气轴承平台和高级花岗岩参考表面等设备。这增加了设备的成本，但让您有更好的机会达到这些严格的公差。
让我们演示一下更经济的扫描解决方案的可能性。
应用示例：玻璃板测量
在此示例中，我们通过收集配置文件数据来铣削玻璃板。我们使用的是亚微米分辨率的点传感器。我们还使用了精密运动平台，尽管是机械轴承平台。最后，我们将使用传感器来校准载物台和工件固定表面存在的任何可重复平面度误差。
以下是实时扫描过程。如您所见，传感器在玻璃表面快速移动。当我们收集数据时，传感器会打开和关闭。
扫描过程结束后，我们得到了来自传感器的高度值数据集。这些数据点由 Peak Metrology 的软件收集和汇总。然后，我们使用地形包对它们进行分析。在这个例子中，我们将查看单个轮廓扫描并将其绘制在 2D 中以实现可视化。
我们需要取出固定玻璃表面的真空吸盘的形式。这将有助于我们揭示玻璃基板的真实平整度变化。当我们取出卡盘的形状时，我们只剩下玻璃表面本身的平整度轮廓。请参见下面的图表，其中显示了删除表单之前的平坦度数据、我们要删除的表单以及删除表单后的数据。
上图：显示了在扫描基板表面长度时从传感器检索的测量数据。请注意数据中的斜率。
上图：显示了从玻璃下方的支撑表面检索的测量数据。请注意它与上面玻璃杯中的测量数据形式如何匹配。
上图：从包含玻璃的数据集中减去支撑表面的坡度时，我们得到这个结果。此结果仅显示玻璃本身的平整度轮廓。
然后，我们重复扫描过程 10 次。我们在所有 10 个数据集上使用了来自支撑卡盘表面的相同形状测量扫描。我们剩下的是基板本身的峰谷平整度测量值。
测量之间的峰峰值范围为 2.2 微米。这就是系统在此表面上进行平面度测量时的可重复性。
结论
这里的教训是，使用这个传感器和这个扫描台设置，我们能够实现 ~2 微米的平面度测量可重复性。有一些解决方案可以实现比这更严格的公差。我们也提供这些解决方案。
根据您需要检查的平面度公差，考虑传感器的选择和定位系统的选择非常重要。
如需更多指导和咨询，请联系我们。 我们提供完整的工程和实验室测试服务，帮助指导我们的客户找到正确的解决方案来应对他们的测量挑战。