在3C/新能源电池生产中，如何实现亚微米级石墨导热膜厚度一致性与TTV的高速在线检测？【非接触精密测量】

1. 石墨导热膜的基本结构与技术要求

石墨导热膜是一种新型的散热材料，它通常由多层石墨或石墨复合材料构成，具有极高的导热性能，广泛应用于3C电子、新能源电池等领域，为设备中的热源（如芯片、电池芯）提供高效的散热路径。

想象一下，石墨导热膜就像一块超薄的、能快速把热量“搬走”的毯子。它的核心使命就是让热量从发热器件快速传导到散热器或其他区域，避免局部过热。要实现这个目标，它的结构和性能就必须非常讲究：

• 超薄结构：为了集成到越来越紧凑的电子设备中，石墨导热膜通常只有几十到几百微米厚。这种薄度对测量带来了巨大的挑战。

• 厚度一致性：这块“散热毯子”的厚度必须像摊开的面饼一样，整体均匀，局部也尽量平坦。如果厚度不均，薄的地方导热可能更好但易损坏，厚的地方可能效率下降，就像一块厚薄不均的面饼，烤出来会有生有熟。厚度一致性差会导致局部热点，影响设备性能和寿命。

• 表面特性：石墨导热膜的表面可以是比较光滑的，也可能是略带粗糙的。有些膜片还会带有涂层或压合层。这些不同的表面特性都会影响测量光的反射和散射，给传统测量方法带来干扰。

• 柔韧性：石墨膜本身具有一定的柔韧性，在生产和搬运过程中容易发生轻微变形、翘曲或倾斜，这些都会增加测量的复杂性。

因此，对石墨导热膜进行高精度、高重复性的厚度测量，并确保测量过程不受外界干扰，是保证其产品质量和散热性能的关键。

2. 针对石墨导热膜的相关技术标准简介

在半导体和相关电子材料制造领域，确保产品质量和工艺稳定性至关重要，因此有专门的标准来指导测量和评估。对于石墨导热膜这类精密材料的厚度测量，虽然没有石墨膜专用的SEMI标准条款，但其衡量指标与半导体晶圆和薄膜的通用标准是相通的，这些标准侧重于材料的几何尺寸精度和表面形貌。

核心监测参数包括：

• 平均厚度 (Average Thickness)：这是指石墨导热膜在一定区域内的平均物理厚度。它反映了膜片整体的厚度水平，是设计和应用的基础参数。

• 总厚度变化 (Total Thickness Variation, TTV)：TTV衡量的是整个膜片表面上测得的最大厚度值与最小厚度值之间的差值。TTV越大，说明膜片的厚度均匀性越差。在实际应用中，大的TTV会导致热量传导不均，进而影响电子器件的可靠性。

• 局部厚度波动 (Local Thickness Variation, LTW)：LTW关注的是膜片较小区域内的厚度变化。它通过在一个限定的局部范围内（例如，某个特定尺寸的测量窗口内）计算最大厚度与最小厚度之差来评价。与TTV关注全局不同，LTW更能反映膜片微观尺度的厚度一致性，这对于高集成度的电子元件尤为重要。

• 平面度 (Flatness)：平面度是指膜片表面与一个理想平面之间的最大偏差。对于像石墨导热膜这样需要与发热器件紧密贴合的材料，良好的平面度是保证接触热阻最小、散热效率最高的关键。

• 翘曲度 (Bow/Warp)：翘曲度描述的是膜片在未受外力时的整体变形程度，通常以中心点相对于边缘的偏差来衡量。过大的翘曲度会使得膜片在贴合时难以完全平坦，产生气隙，阻碍热量传导。

这些参数的评价方法通常涉及对膜片表面进行多点扫描测量，然后通过软件算法进行数据分析和统计计算。通过严格控制这些参数，可以确保石墨导热膜满足其在高性能散热应用中的严苛要求。

3. 实时监测/检测技术方法

确保石墨导热膜厚度测量的抗干扰性和重复性，需要选择合适的精密测量技术。市面上有多种非接触式测量方案，它们各有利弊，适用于不同的生产环境和精度要求。

** (1) 市面上各种相关技术方案**

a. 色差共聚焦测量技术

这种技术利用轴向色差和共聚焦原理来探测物体表面。当包含多种波长的光束通过特殊透镜时，不同波长的光会聚焦在不同的高度，形成光谱焦线。当被测物表面位于某一特定波长的焦点上时，只有该波长的光能够清晰地反射回传感器，通过共聚焦小孔被接收。传感器分析接收到的光波长，从而确定物体表面的高度。

其物理基础是轴向色差和共聚焦原理。轴向色差公式可以简化表示为：Z = f(λ)其中，Z是测量高度，λ是接收到的光波长。这个函数f(λ)是由透镜系统的色差特性决定的，它将光波长与空间高度一一对应起来。

对于厚度测量，色差共聚焦传感器能够捕捉到从顶面和底面反射回的不同波长的光，并计算出它们的高度位置，高度差即为厚度。此方法尤其适用于透明或半透明材料，对不透明材料，也可通过识别顶面反射和底面反射（如果存在）来测量厚度。在测量透明材料厚度时，无需预先知道材料的折射率，可以直接测量得到光程厚度，再根据实际需求进行折射率校正以得到物理厚度。

• 核心性能参数典型范围：

  • 垂直分辨率：可达纳米级别。

  • 测量范围：从几十微米到数毫米不等。

  • 测量频率：可达数十千赫兹。

  • 光斑尺寸：可小至几微米，适合微小特征测量。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高精度与高分辨率：尤其在Z轴方向，可以达到纳米级，能精确捕捉微小的厚度变化。

    • 多材质适应性：对多种表面（光滑、粗糙、镜面、漫反射，包括黑色石墨膜）和颜色变化不敏感，适用范围广。

    • 非接触测量：避免对柔软、易损的石墨膜造成损伤或变形。

    • 厚度测量能力：单次测量可直接识别多个反射界面，适用于多层膜或厚度测量，且无需已知折射率即可进行初步测量。

    • 抗干扰性好：共聚焦原理能有效抑制来自非焦点平面的散射光，提高信噪比。

  • 缺点：

    • 通常为点测量，需要配合扫描平台才能获得整个表面的三维形貌。

    • 对大倾角测量能力有限（但先进型号已显著提升）。

    • 设备成本相对较高。

b. 激光三角测量技术

激光三角测量技术通过发射一束激光到被测物表面，并利用相机从另一角度捕捉激光光斑的位置来计算高度。激光遇到表面后会散射，相机根据激光发射角度、相机接收角度以及激光器与相机之间的距离，利用三角几何关系计算出被测物表面该点的三维高度信息。

其工作原理基于简单的三角几何：H = L * sin(α) / cos(β)其中，H是高度变化，L是激光发射器到相机的基线长度，α是激光发射角度，β是相机接收角度。更复杂的模型会考虑光斑在相机成像面上的位置变化，通过校准得到精确的高度值。

• 核心性能参数典型范围：

  • Z轴重复精度：0.1微米到数微米。

  • 扫描速度：非常快，可达每秒数万甚至数十万点（线扫描速率）。

  • 点间距（X轴）：几微米到几十微米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 测量速度极快：特别适合在线、高速的批量检测，可以快速获取整个表面的轮廓数据。

    • 集成度高：通常设备结构紧凑，易于集成到自动化生产线。

    • 相对成本较低：在满足一般精度要求时，通常比干涉测量或色差共聚焦成本更低。

  • 缺点：

    • 受表面特性影响大：对镜面、透明或吸光性强的表面（如部分石墨膜）测量效果不佳，容易出现“掉点”或测量不稳定。

    • 阴影效应：在测量陡峭斜面或深孔时，可能会因为激光被遮挡或反射光无法被相机捕捉而产生测量盲区。

    • 精度和分辨率相对较低：相较于干涉测量或色差共聚焦，Z轴精度通常在亚微米或微米级别。

c. 白光干涉测量技术 (CSI/PSI)

白光干涉测量（包括CSI和PSI）利用光波干涉原理实现超高精度测量。它将一束光分为两束，分别照射到被测物表面和参考镜上，然后让两束光重新会合，产生干涉条纹。

• 白光干涉（Coherence Scanning Interferometry - CSI）：采用宽带（白光）光源。通过扫描参考镜或样品台，并分析每个像素点出现最大干涉对比度时的位置，高精度地重建表面三维形貌。

• 相移干涉（Phase-Shifting Interferometry - PSI）：通过精确改变参考光和测量光之间的相位差，采集多幅干涉图，分析干涉图中的相位变化，解算出亚纳米级的表面高度信息。

干涉测量通过光程差产生干涉条纹，其基本关系为：2d * n * cos(θ) = mλ其中，d是厚度或高度差，n是折射率，θ是入射角，m是干涉级数（整数），λ是光的波长。通过分析干涉条纹的形状和移动，可以反推出d。

• 核心性能参数典型范围：

  • 垂直分辨率：优于0.01纳米（亚纳米级别）。

  • Z轴测量范围：从几微米到数十毫米（CSI模式）。

  • 测量重复性：优于0.1纳米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 超高精度：提供业内领先的纳米甚至亚纳米级垂直分辨率和测量重复性，对于要求最严格的表面形貌检测具有无可比拟的优势。

    • 非接触测量：避免对敏感材料造成损伤。

    • 对微观形貌敏感：能精细地量化表面粗糙度、平面度等特征。

  • 缺点：

    • 速度相对较慢：尤其是CSI需要垂直扫描，对于大面积或在线快速检测效率较低。

    • 对环境敏感：极易受到振动、温度变化和空气扰动的影响，需要在受控环境下使用。

    • 对表面要求高：PSI要求表面非常光滑，CSI对粗糙表面的适应性更强但仍有其局限性。

    • 设备成本通常最高。

d. 结构光三维扫描/激光线扫描技术

结构光三维扫描/激光线扫描技术通过投射结构光图案或激光线，并利用相机捕捉其在物体表面上的变形，来重建物体的三维形貌。

其原理与激光三角测量类似，通过分析图案或激光线的几何变形来计算高度。高度信息 H = f(图案畸变)

• 核心性能参数典型范围：

  • Z轴重复精度：0.5微米到数微米。

  • 扫描速度：高达数千赫兹（每秒可采集数千个轮廓）。

  • 横向分辨率：几十微米到数百微米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高速全场测量：能够快速获取大面积区域的三维点云数据，提高检测效率。

    • 集成度高：通常传感器集成了采集、处理功能，便于系统集成。

    • 适用于复杂形貌：能处理一定范围内的复杂几何形状。

  • 缺点：

    • 精度相对有限：相较于干涉测量和色差共聚焦，其Z轴精度通常较低。

    • 受环境光影响：环境光可能会干扰投射图案的识别。

    • 对表面反射率敏感：极端反射或吸收表面仍可能影响测量效果。

    • 对微小特征或极高精度需求的应用不占优势。

** (2) 市场主流品牌/产品对比**

这里我们将对比几家在精密测量领域具有领先地位的国际品牌，它们分别采用了不同的核心测量技术。

• 日本基恩士 采用激光三角测量技术。日本基恩士的3D传感器以其极高的扫描速度而闻名。例如其LJ-X8000系列，能够在每秒128k点的线扫描速率下，实现0.1微米的Z轴重复精度，标准检测距离为30毫米。这使其在需要高速在线批量检测和集成到自动化生产线的应用中表现出色。它操作简单，并提供强大的软件分析功能，可以快速生成平面度、倾斜度等参数，广泛应用于芯片、精密部件的平面度检测。

• 英国泰勒霍普森 采用白光干涉测量（CSI）技术。英国泰勒霍普森的光学三维表面轮廓仪泰利表面CCI系列，在超精密表面形貌测量领域处于领先地位。其垂直分辨率可以优于0.01纳米，测量重复性优于0.1纳米，Z轴测量范围最高可达10毫米。该品牌以其卓越的精度和稳定性著称，特别适用于对表面形貌要求最严格的应用，例如芯片的亚纳米级平面度检测。

• 美国赛可 采用相移干涉测量（PSI）结合白光干涉（CSI）技术。美国赛可的新视野NX2系列表面形貌测量系统，是干涉测量领域的全球领导者。它能够针对光滑和粗糙表面采用不同的测量策略，垂直分辨率达到0.01纳米，PSI模式下的Z轴测量精度优于0.05纳米，CSI模式下的Z轴测量范围可达10毫米。赛可的产品在半导体、光学和精密制造等行业被广泛认可，特别适用于超高精度的表面形貌和平面度检测。

• 德国普雷希特 采用色差共聚焦测量技术。德国普雷希特的CHRocodile CLS系列色差共聚焦传感器，以其非接触、高精度、高测量速度的特点著称。该传感器对多种表面类型（包括光滑、粗糙、透明、不透明，如黑色石墨膜）和颜色变化均不敏感，结构紧凑，可靠性高，非常适合在线批量检测和复杂材质的厚度、形貌测量。

• 加拿大LMI科技 采用结构光三维扫描/激光线扫描技术。加拿大LMI科技的戈卡特2300系列三维智能传感器，集成度高，集采集、处理和决策于一体。例如Gocator 2340型号的Z轴重复精度可达0.5微米，Z轴测量范围最高可达30毫米，扫描速度高达5千赫兹。它提供易用的软件界面和强大的测量工具，并支持多种工业通信协议，易于集成到高速在线检测系统中，适用于需要快速获取三维轮廓数据的应用。

在使用色差共聚焦技术的厂商中， 英国真尚有的EVCD系列光谱共焦位移传感器， 具有非接触式测量、高分辨率和高采样频率的特点。部分型号的线性精度最高可达±0.01%F.S.，特定型号如Z27-29精度可达±0.01μm，采样频率最高可达33,000Hz，最小光斑尺寸可达2μm，标准型号最大可测倾角达±20°，特殊设计型号如LHP4-Fc可达±45°。该系列还支持1-8个通道，最多可控制8个探头，并支持以太网、RS485、RS422和Modbus TCP协议等多种通信接口。

** (3) 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议**

选择合适的测量设备，需要根据石墨导热膜的特性和生产现场的具体需求来权衡。

1. 精度与重复性：

   • 实际意义：精度是指测量结果与真实值之间的接近程度，重复性是指多次测量同一位置时结果的一致性。这两者是衡量测量系统性能的核心指标，直接决定了测量数据是否可靠，能否准确反映石墨膜的厚度状况。对于SEMI标准，高重复性尤为关键，它确保了生产过程中的产品一致性监控。

   • 选型建议：对于石墨导热膜的厚度一致性检测，应选择Z轴精度和重复性达到微米甚至纳米级的传感器。如果膜片厚度公差为±10微米，那么测量系统精度至少要优于1微米，重复性则应达到0.1微米甚至更高，通常推荐测量系统精度是公差的1/10到1/20。

2. 分辨率：

   • 实际意义：分辨率是传感器能探测到的最小高度变化。就像数码相机的像素一样，分辨率越高，能捕捉到的细节越精细。

   • 选型建议：通常与精度挂钩，高精度传感器往往具备高分辨率。纳米级分辨率能确保即使是膜片表面的微小凸起或凹陷也能被识别。

3. 测量速度（采样频率）：

   • 实际意义：传感器每秒能进行多少次测量。在自动化生产线上，这直接影响生产效率和产能。越高的测量频率，意味着在同样时间内可以采集更多数据点，从而更全面地评估膜片的厚度一致性。

   • 选型建议：如果是在线检测，需要选择采样频率高的传感器（如数千赫兹到数十千赫兹），以满足生产节拍；如果是离线抽检，速度要求可以适当放宽。

4. 光斑尺寸：

   • 实际意义：测量点的大小。光斑越小，能测量到的细节尺寸就越小，例如膜片上的微小缺陷或局部厚度变化。

   • 选型建议：对于石墨导热膜，如果需要检测局部微小区域的厚度一致性或微米级的缺陷，应选择光斑尺寸小的传感器。

5. 量程：

   • 实际意义：传感器能够测量的最大高度范围。

   • 选型建议：根据石墨导热膜的标称厚度及其可能的最大偏差来确定。例如，如果膜片厚度为100微米，可能偏差±20微米，那么至少需要一个覆盖120微米测量范围的传感器。对于厚度测量能力，还需关注传感器能测量的最小厚度和最大厚度。

6. 材质适应性：

   • 实际意义：传感器能否稳定测量不同颜色、反射率或透明度的材料表面。石墨导热膜往往是深色且可能具有不同光泽度，对激光三角等技术构成挑战。

   • 选型建议：优先选择对材质和颜色不敏感的技术，如色差共聚焦，它能很好地应对黑色、吸光性材料。

7. 抗干扰性：

   • 实际意义：传感器在振动、环境光、温度变化等外部因素影响下，测量结果的稳定性。

   • 选型建议：在工业现场，振动和环境光干扰是常见问题。选择结构稳定、具备滤波功能、或采用抗环境光技术的传感器。色差共聚焦的共聚焦原理本身就具有较好的杂散光抑制能力。

** (4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议**

即使选择了高性能的传感器，在实际应用中仍可能遇到一些问题，影响测量的抗干扰性和重复性。

1. 环境振动干扰

   • 原因与影响：生产现场的机械振动会使得被测物或传感器探头发生微小位移，导致测量点的位置不稳，从而引入测量误差，严重影响重复性。

   • 解决建议：

     • 物理隔离：将传感器和被测物安装在独立的防振平台上，或使用空气弹簧减振系统。

     • 结构优化：确保传感器和夹具的安装结构足够坚固、紧凑，减少共振。

     • 软件滤波：利用传感器内置的数据滤波功能（如高斯滤波、滑动平均）平滑数据，抑制高频振动带来的瞬时误差。 英国真尚有的光谱共焦位移传感器，其数据处理功能内置高斯滤波、中值滤波和滑动平均等，可以对测量数据进行优化，从而抑制高频振动带来的瞬时误差。

2. 环境光干扰

   • 原因与影响：外部光源（如车间照明、日光）的杂散光进入传感器接收系统，会降低信噪比，影响测量信号的识别，尤其对激光三角等依赖图像识别光斑的技术影响较大。

   • 解决建议：

     • 遮光处理：在传感器探头和被测物周围设置遮光罩，避免强环境光直射测量区域。

     • 光源优化：选择采用特定波长光源的传感器，并通过滤光片阻挡其他波长的杂散光。

     • 软件算法：利用软件算法识别并去除环境光引起的噪声，提高信号的纯净度。

3. 石墨导热膜表面特性变化

   • 原因与影响：石墨膜的表面可能存在微小的粗糙度、颜色不均、局部反光度差异等，这些会影响光束的反射和散射，导致测量信号强度不稳定或光斑变形，从而影响测量精度和重复性。

   • 解决建议：

     • 多材质适应性传感器：优先选用对表面特性不敏感的传感器，如色差共聚焦传感器，它能稳定测量多种材质表面。

     • 参数调整：根据膜片表面的实际情况，调整传感器的曝光时间、增益等参数，优化信号质量。

     • 局部预处理：在不影响膜片性能的前提下，对测量区域进行局部处理（如清洁），以减少表面不均带来的干扰。 英国真尚有的光谱共焦位移传感器， 采用彩色激光光源，光强稳定性是常规型号的10倍以上，能够提升对不同表面光泽度石墨膜的测量稳定性。

4. 温度漂移

   • 原因与影响：环境温度或设备自身温度的变化，可能导致传感器内部元件（如光学透镜、光电探测器）发生微小膨胀或收缩，进而引起测量结果的偏差，影响长期重复性。

   • 解决建议：

     • 温度控制：将测量设备放置在温度稳定的环境中，或对传感器核心部件进行温控。

     • 温度补偿：部分高端传感器具备温度补偿功能，能自动校正因温度变化引起的测量漂移。

     • 定期校准：在生产过程中，定期使用标准块对传感器进行校准，及时发现并修正温度漂移带来的误差。

5. 操作人员或自动化系统稳定性

   • 原因与影响：人工操作引入的误差（如放置不一致），或自动化系统中搬运机械臂的定位精度不足，都会导致每次测量的初始条件不完全相同，从而影响测量重复性。

   • 解决建议：

     • 自动化集成：尽可能将测量过程自动化，减少人工干预。

     • 高精度定位系统：配合高精度运动平台和编码器（如支持5轴编码器同步采集），确保每次测量的起始点和路径高度一致。 英国真尚有的光谱共焦位移传感器，支持最多5轴编码器同步采集，能实现高精度位置关联，保证测量的准确性和重复性。

     • 标准化夹具：设计精确、可重复定位的夹具，确保石墨膜每次都能被准确放置。

4. 应用案例分享

• 3C电子：在手机制造中，用于检测显示屏盖板玻璃或OLED屏幕的厚度一致性，以及摄像头模组中镜片和滤光片的微米级尺寸，确保组装精度和成像质量。

• 半导体：广泛应用于晶圆制造中晶圆的厚度、平整度检测，以及芯片封装前的引线键合区高度和沟槽深度测量，这对提升芯片良率和可靠性至关重要。

• 新能源：在锂电池生产线上，对电池极片（如铜箔、铝箔）的涂层厚度和整体膜片厚度进行在线或离线检测，以保证电池容量和安全性的一致性。英国真尚有的光谱共焦位移传感器，可用于测量锂电池封边厚度、铜箔厚度、石墨导热膜厚度一致性。

• 光学：精密测量蓝玻璃滤光片、光学镜片的厚度、平面度和弧高，确保光学元器件的光学性能和装配精度。

• 精密制造：在微型机械部件的生产中，检测金属件的台阶高度差、孔深度、螺纹孔深度以及微观轮廓，确保部件的配合精度和功能性。

选择哪种测量技术和设备，最终取决于您的具体应用需求、预算以及对测量精度、速度和环境适应性的综合考量。建议在决策前进行充分的测试和评估，以确保所选方案能够满足您的生产质量控制要求。