Развитие средств прецизионного контроля печатных плат

Напомним, что средства прецизионного контроля печатных плат конструктивно подразделяются на оборудование с подвижными пробниками и оборудование с контактными полями («ложе гвоздей») [1].

Основными факторами при выборе оборудования прецизионного контроля печатных плат являются:

• требуемая производительность оборудования;
• количество выпускаемых плат;
• класс сложности платы;
• срок изготовления.

Для оборудования с подвижными пробниками характерно короткое время переналадки, что делает его наиболее приемлемым для единичного и мелкосерийного производства с большой номенклатурой плат. Одним из лучших среди тестеров с «летающими пробниками» считается ELX6146 (рис. 1) фирмы MicroCraft (Япония). Эта модель обеспечивает достоверный контроль плат любой сложности, так как оснащена высокоточным прибором для контроля низкоомных сопротивлений Agilent 34420A (рис. 2), который позволяет измерять реальные сопротивления проводников, металлизированных отверстий и сравнивать их с соответствующими эталонными значениями.

Рис. 1. Тестер печатных плат с подвижными пробниками ELX6146 фирмы MicroCraft

Рис. 2. Высокоточный прибор Agilent 34420A для контроля низкоомных сопротивлений

Необходимым условием для проведения прецизионного контроля на системе ELX6146 является применение в ней двухзондовых пробников Kelvin (рис. 3), позволяющих контролировать металлизированные отверстия и печатные проводники на уровне от долей мОм.

Рис. 3. Двухзондовые пробники Kelvin

До настоящего времени слабым местом программного обеспечения данной системы было отсутствие программы математического расчета эталонных значений сопротивлений тестируемых участков цепей по данным CAD. Это обстоятельство создавало трудности при единичном производстве печатных плат, так как для формирования эталонной таблицы сопротивлений цепей и переходных отверстий необходимо наличие нескольких предварительно измеренных на системе эталонных плат. При этом созданная эталонная таблица сопротивлений цепей по результатам предварительно измеренных нескольких плат не обеспечивала полной достоверности сформированных значений сопротивлений тестируемых участков эталонных цепей.

В настоящее время специалистами ОАО «Красное Знамя» разработана программа математического расчета эталонных значений сопротивлений тестируемых участков цепей по данным РСАD-2002 для установки ELX6146 фирмы MicroCraft. Особо следует отметить возможность программы достоверно рассчитывать сопротивление цепей, выполненных в виде сетки.

При этом необходимая для расчета таблица тестируемых участков цепей с координатами точек формируется по данным тестового файла *.emm и файла сопротивлений контролируемых цепей *.csv, полученного после проведения тестирования одного образца платы на установке ELX6146 фирмы MicroCraft, и файла *.pcb РСАD-2002 контролируемой платы. Программа, опираясь на промежуточные данные установки ELX6146, выполняет расчет и замену измеренных значений жестко заданных установкой фрагментов цепей в файле *.csv на расчетные, необходимые для формирования при помощи программы MasteringReportE.exe тестового файла *.emm.

Таким образом, технология формирования математических эталонов цепей включает в себя несколько этапов:

1. проведение тестирования одного образца платы с получением тестового файла *.emm и файла контролируемых цепей *.csv;
2. математический расчет эталонных значений сопротивлений тестируемых участков цепей по данным файла *.csv, *.emm и файла *.pcb РСАD-2002 с формированием файла сопротивлений контролируемых цепей *.csv;
3. формирование при помощи программы MasteringReportE.exe тестового файла *.emm по данным файла сопротивлений контролируемых цепей *.csv.

Такая технология подготовки тестового файла контролируемых сопротивлений цепей позволяет решить проблему формирования таблицы эталонных значений сопротивлений цепей при единичном производстве печатных плат.

Что касается факторов, определяющих уровень предельных значений сопротивле

ний тестируемых цепей при математическом расчете эталонов, то их несколько:

1. Толщина меди для внутренних слоев МПП (рекомендуемая предельная минимальная толщина меди для фольги толщиной 35 мкм составляет 25 мкм).
2. Толщина меди для внешних слоев МПП (рекомендуемая предельная минимальная толщина меди для фольги толщиной 35 мкм составляет 50 мкм).
3. Боковое подтравливание проводников по внутренним и наружным слоям (предельная степень бокового подтравливания проводников определяется из выражения а/h ≤ 1,0, где а — глубина бокового подтрав-ливания; h — глубина травления, равная толщине фольги).
4. Толщина медной металлизации в отверстии (рекомендуемая предельная минимальная толщина меди в отверстии составляет 20 мкм).

Математически рассчитанные эталонные значения сопротивлений участков цепей гарантируют проведение достоверного контроля цепей МПП на установке ELX6146 с применением высокоточного прибора Agilent 34420A. Это позволяет не только выявлять ослабленные места, перетравы, микротрещины в проводниках и переходных отверстиях контролируемой МПП (рис. 4, 5), но и осуществлять сбор и обработку результатов тестирования печатных плат на системах прецизионного контроля с целью совершенствования техпроцесса изготовления печатных плат.

Рис. 4. Перетрав слоя МПП

Рис. 5. Микротрещина в металлизированном отверстии

Помимо выявления дефектов на тестируемых платах, немаловажное значение имеет оценка качества изготовленных печатных плат, то есть получение интегрированного показателя качества для каждой платы с целью отбора лучших из них для последующего монтажа. При этом могут быть сформированы как цифровое значение интегрированного показателя качества изготовления МПП, так и более подробный табличный вариант исполнения, а также возможен графический вариант отображения на мониторе ПК интегрированного показателя качества изготовления не только одной платы, но и нескольких МПП.

Расчет интегрированного показателя качества изготовления МПП позволяет, помимо отбора лучших из них для последующего монтажа, обеспечить возможность проведения анализа техпроцесса изготовления печатных плат с целью его дальнейшего совершенствования для получения плат со стабильными параметрами.

При серийном и мелкосерийном производстве печатных плат, особенно МПП, наиболее эффективно применение систем прецизионного тестирования с двусторонними контактными полями. На данный момент единственным отечественным представителем данного класса является автоматизированная система прецизионного контроля печатных плат (АСПК ПП), разработанная в ОАО «Завод «Красное Знамя»», входящее в концерн «Алмаз-Антей».

Применение в АСПК ПП принципа построения многоизмерительной системы с использованием аналоговых ключей в качестве коммутационных элементов, а также уникального способа проведения контроля сопротивлений печатных проводников многослойных печатных плат с одновременной работой нескольких десятков измерительно-коммутационных модулей (ИКМ) обеспечило значительное сокращение времени тестирования печатной платы. Применение в ИКМ компенсационных методов работы измерителей стало главным фактором в повышении технических характеристик системы при проведении прецизионного контроля МПП. Для исключения влияния на результат измерений величин сопротивлений коммутационных элементов, подводящих проводов, контактов и переходных сопротивлений используется четырехзондовый метод подключения к контролируемым цепям с применением двустороннего контактного устройства. Это позволяет выявлять в контролируемых платах, помимо обрывов и коротких замыканий, такие дефекты, как микротрещины в отверстиях с величиной сопротивления более 1 мОм, перетрав слоя в МПП, ослабленные соединения. В отличие от систем с подвижными пробниками, осуществляющих контроль близлежащих цепей, АСПК ПП обеспечивает 100%-ный контроль изоляции всех цепей печатных плат с высокой плотностью топологии на уровне от 100 до 500 МОм низкоуровневым испытательным напряжением (10 В).

Применение в АСПК ПП двустороннего универсального контактного устройства со сменными адаптерами под конкретные типы плат (рис. 6), позволяет тестировать МПП с нерегулярным размещением контактных площадок любой плотности.

Рис. 6. Двустороннее универсальное контактное устройство со сменными адаптерами

Главный недостаток современных контактных устройств со сменными адаптерами — большие затраты на изготовление и сборку адаптеров. При этом конструкция адаптеров должна обеспечивать высокое качество контактирования пробников на нерегулярно размещенные контактные площадки тестируемой печатной платы, имеющей повышенную плотность топологии наружных слоев.

Это достигается путем использования в конструкции адаптера платы сопряжения, транслирующей произвольный шаг контрольных точек тестируемой платы в регулярный шаг 2,5 мм базового контактного поля, а также путем снижения прогиба направляющей панели адаптера с установленными в них подпружиненными контактами, так как прогиб вызывает отклонение от вертикальной оси наконечников контактных элементов (пробников). Это, в свою очередь, приводит к сдвигу точек касания пробников при прижиме к контактным площадкам контролируемой платы (рис. 7) и, как следствие, к возможному возникновению «неконтактов» (отсутствию соединений), а также возникновению на плате царапин, вызванных перемещением наконечников пробников по поверхности платы в процессе прижатия контактного поля к контролируемой плате.

Фирма ATG (Германия) решает проблему снижения прогиба направляющей панели с установленными в них подпружиненными контактами путем введения в адаптер дополнительного промежуточного контактного поля с жесткими иглами, которые обеспечивают подключение контактных площадок платы сопряжения к подпружиненным контактным элементам базового контактного поля (рис. 8). Это приводит к значительному усложнению и удорожанию адаптера.

Рис. 8. Сменный адаптер фирмы ATG (Германия)

В установке АСПК ПП применено двустороннее универсальное контактное устройство со сменными адаптерами оригинальной конструкции (рис. 9).

Рис. 9. Сменный адаптер КУ (нижний)

Эта конструкция исключает применение промежуточного поля, а проблема снижения прогиба направляющей панели с установленными в ней подпружиненными контактами решается путем формирования в плате сопряжения сменного адаптера контактного устройства в местах, свободных от печатных проводников. Аналогично, на прилегающей к ней направляющей панели адаптера холостых отверстий с диаметром, превышающим диаметр соответственно подходящих к ним наконечников, не задействованных при тестировании подпружиненных контактов базового контактного устройства. Это позволяет исключить давление на плату сопряжения контактов и тем самым снизить прогиб направляющих панелей с установленными в них подпружиненными контактами относительно рамки адаптера (рис. 10).

Рис. 10. Сменный адаптер КУ (нижний) с холостыми отверстиями

Для автоматизации процесса:

• изготовления направляющих панелей (стекол) сменного адаптера контактного устройства с отверстиями необходимого диаметра;
• формирования плат сопряжения для нижнего и верхнего сменных адаптеров контактного устройства;
• формирования в платах сопряжения нижнего и верхнего сменного адаптера контактного устройства и аналогично на прилегающих к ним направляющих панелях адаптера холостых отверстий;

применяются разработанные на ОАО «Завод «Красное Знамя»» программы «Glass», «TransBoard» и «Freeholes».

В качестве контактных элементов в двустороннем универсальном контактном устройстве со сменными адаптерами применяются импортные пробники фирмы INGUN (Германия) с разными типами зондов и формами наконечников (рис. 11-14) в зависимости от размеров и конфигурации контактных площадок (рис. 15).

Рис. 11. Пробник GKS 081 351 050 А 08 00 диаметром 0,7 мм и диаметром наконечника 0,46 мм

Рис. 12. Пробник GKS 075 207 100 А 10 00 L диаметром 1,02 мм и диаметром наконечника 1,0 мм

Рис. 13. Пробники GKS 100 3 06 150 А 15 00 L; GKS 100 3 06 090 А 09 00 L; GKS 100 3 06 200 А 20 00 L; GKS 100 3 06 250 А 25 00 L диаметром 1,37 мм и диаметрами наконечников 0,9/1,5/2,0/2,5 мм

Рис. 14. Новый тип пробника GKS 040 297 040 А 08 00 диаметром 0,61 мм и диаметром наконечника 0,4 мм

Рис. 15. Сменный адаптер с разными типами зондов и формами наконечников пробников фирмы INGUN

Программа «Glass» обеспечивает формирование из *.pcb файла контролируемой платы *.pcb файла отверстий, необходимого для изготовления направляющих панелей (стекол) сменного адаптера контактного устройства с отверстиями разного диаметра для установки в них контактных элементов, обеспечивающих подключение их к соответствующим контактным площадкам контролируемой платы.

Главное окно программы «Glass» («Формирование стекол адаптера») состоит из следующих частей (рис. 16):

• клавиши для чтения проекта контролируемой платы («Прочитать проект платы»);
• окна для привязки центра контролируемой платы в координатах Х и Y с центром формируемой направляющей панели (стекла) в мм («Координаты центра стекла, мм»);
• окна для выбора слоя контролируемой платы — top или bottom («Контролируемый слой»);
• окна таблицы соответствия стиля контролируемой контактной площадки («Стиль отверстия/ламели») и диаметра пробника («Диаметр иглы, мм») с указанием стилей отверстий и ламелей, применяемых в проекте контролируемой платы, и диаметра соответствующего пробника («Таблица соответствия стиля контролируемой точки и диаметра контактной иглы»);
• клавиши для запуска программы («Формировать стекло»).

Рис. 16. Главное окно программы «Glass» («Формирование стекол адаптера») с окном таблицы соответствия стилей контактных площадок (24 типа) диаметрам отверстий для установки контактных элементов по наружному слою top контролируемой платы

В результате запуска программы «Glass» формируется *.pcb файл отверстий направляющей панели сменного адаптера контактного устройства со стороны наружного слоя контролируемой платы (рис. 17).

Рис. 17. Сформированный *.pcb файл отверстий направляющей панели (стекла) сменного адаптера контактного устройства со стороны наружного слоя top контролируемой двухпозиционной платы

Программа «TransBoard» осуществляет формирование *.pcb файлов плат сопряжения для нижнего и верхнего сменных адаптеров контактного устройства, транслирующих произвольный шаг контрольных точек тестируемой платы в регулярный шаг 2,5 мм базового контактного поля. В отличие от зарубежного аналога — программы разработки платы сопряжения фирмы ATG (Германия), которая обеспечивает трансляцию контрольных точек тестируемой платы к близлежащим контактным элементам базового контактного поля при условии, что габаритные размеры тестируемой платы не должны превышать размеры базового контактного поля, алгоритм программы «TransBoard» позволяет обеспечить подключение к установке электроконтроля тестовую печатную плату с габаритными размерами, значительно превышающими размеры базового контактного поля (рис. 18), что позволяет значительно сэкономить аппаратные средства.

Рис. 18. Тестируемая печатная плата с габаритными размерами, значительно превышающими размеры базового контактного поля

Главное окно программы «Переходные платы» («TransBoard») состоит из следующих частей (рис. 19):

• формата исходных данных в РСАD-2002 (ACCEL PCB 17);
• окна поиска и загрузки исходного файла печатной платы (PCB-файл ACCEL);
• окна выбора координаты центра платы с точностью до 0,1 мм (координаты центра платы, мм);
• окна выбора диаметра переходных отверстий от 0,5 мм (диаметр переходных отверстий, мм);
• окна выбора диаметра контактных площадок со стороны универсального базового поля от 0,75 мм (D КП универсальные поля, мм);
• окна выбора диаметра контактных площадок со стороны контролируемой платы (КП) от 0,75 мм (D КП, мм);
• окна для задания минимального зазора между проводниками от 0,15 мм (минимальный зазор, мм) ;
• окна для задания ширины проводников от 0,15 мм (ширина проводников, мм);
• окна выбора места хранения папки для результатов (папка для результатов);
• клавиши «Старт».

Рис. 19. Окно «Переходные платы» программы «TransBoard»

В результате запуска программы «TransBoard» осуществляется формирование *.pcb файлов плат сопряжения (рис. 20) для нижнего (подключение к слою top контролируемой МПП) и верхнего (подключение к слою bottom контролируемой МПП) сменных адаптеров контактного устройства, обеспечивающих подключение к установке электроконтроля тестовой печатной платы с габаритными размерами, значительно превышающими размеры базового контактного поля.

Рис. 20. Плата сопряжения для сменного адаптера контактного устройства с габаритными размерами, значительно превышающими размеры базового контактного поля

Программа «Freeholes» предназначена для формирования в плате сопряжения сменного адаптера контактного устройства в местах, свободных от печатных проводников, и аналогично — на прилегающей к ней направляющей панели адаптера холостых отверстий с диаметром, превышающим диаметр соответственно подходящих к ним наконечников, не задействованных при тестировании подпружиненных контактов базового контактного устройства. Это позволяет исключить давление на плату сопряжения незадействованных контактов и тем самым снизить прогиб направляющих панелей с установленными в них подпружиненными контактами относительно рамки адаптера.

Главное окно программы «Свободные отверстия» («Freeholes») состоит из следующих частей (рис. 21):

• окна выбора диаметра холостых отверстий (1,5-2 мм);
• окна выбора допустимого зазора (0,01-9,99 мм);
• клавиши «Старт».

Рис. 21. Окно «Свободные отверстия» программы «Freeholes»

В результате запуска программы «Freeholes» формируется *.pcb файл платы сопряжения сменного адаптера контактного устройства с холостыми отверстиями в местах, свободных от печатных проводников (рис. 22).

Рис. 22. Плата сопряжения для сменного адаптера контактного устройства с габаритными размерами, значительно превышающими размеры базового контактного поля, с 2328 холостыми отверстиями в местах, свободных от печатных проводников

Подготовка программного обеспечения для контроля печатных плат и разработка КД на адаптеры контактного устройства осуществляется на стадии подготовки данных. При этом используются данные на контролируемую плату в РСАD-2002.

Наиболее эффективный способ для снижения брака при производстве многослойных печатных плат — это введение оптического контроля слоев, что позволит выявлять такие дефекты, как короткие замыкания, обрывы, микротрещины, перетравы, смещение контактных площадок и локальные дефекты. Использование систем оптического контроля для тестирования слоев МПП позволяет распознавать дефектные слои до процесса их спекания, что существенно снижает процент брака в готовой продукции.

Кроме того, желательно проводить выходной оптический контроль наружных слоев МПП после спекания до покрытия их защитной маской, что снизит количество возвратов плат после проведения электрического контроля.

Основной метод оптического контроля — сравнение с эталоном. В качестве эталона используется информация из САПР разработчиков печатной платы.

Системы автоматизированного оптического контроля с производительностью 140-160 сторон в час являются неотъемлемой частью оборудования современных предприятий по производству печатных плат.

Совмещение процессов оптического контроля и прецизионного тестирования МПП на установке АСПК ПП с использованием двустороннего контактного устройства при серийном производстве плат с высокой плотностью топологии снимает ограничения на допустимые к контактированию минимальные размеры контактных площадок и минимальные расстояния между ними. Это, в свою очередь, приводит к снижению количества ручных операций, связанных с перепроверкой непроконтролированных цепей из-за отсутствия контактирования пробников к контактным площадкам цепи, и, как следствие, к повышению достоверности контроля многослойных печатных плат. Проведение оптического контроля наружных слоев МПП с высокой плотностью топологии позволяет при последующем проведении тестирования платы на системе прецизионного контроля с использованием двустороннего контактного устройства ограничиться 100%-ным подключением только к металлизированным отверстиям.

При этом подключение к остальным контактным площадкам (ламелям) контролируемой платы становится уже не обязательным, но желательным. Это снимает проблему обязательного контактирования ко всем ламелям, размещенным в шаге 0,5 мм и более. Так, при тестировании плат нового поколения требуется подключение пробников к контактным площадкам, размещенным в шаге 0,5 мм с минимальной длиной площадки 1,0 мм и шириной 0,25 мм, что возможно обеспечить только с помощью сверхтонких тест-пробников («иголок») GKS 040 297 040 А 08 00 (рис. 23) с диаметром пробника 0,61 мм и с наконечником 00,4 мм фирмы INGUN (Германия), причем при подключении их к ламелям в шахматном порядке. Так как только в этом случае максимально допустимое расстояние между отверстиями в адаптере для установки пробников достигнет предельного значения 0,9 мм, но при этом надежность контактирования на контактные площадки шириной 0,25 мм будет невысокой, особенно на верхнем подвижном контактном поле двустороннего контактного устройства, из-за сложности реализации в контактном устройстве высокой точности подключения пробников.

Рис. 23. Сверхтонкий пробник GKS 040 297 040 А 08 00 фирмы INGUN

Совмещение же оптического процесса контроля многослойных печатных плат, обладающих высокой плотностью топологии, с высокоскоростным тестированием на системе прецизионного контроля с использованием двустороннего контактного устройства позволит эффективно контролировать печатные платы с минимальной партией от 200 штук.

Важной мерой в повышении качества контроля многослойных печатных плат является возможность достоверной перепроверки выявленных при тестировании на установках прецизионного контроля (АСПК ПП, ELX6146) дефектных цепей и металлизированных отверстий.

Для такой перепроверки наиболее эффективно применение цифрового миллиомметра, имеющего диапазон измерения малых значений сопротивлений с разрешением от 0,1 мОм, например цифрового мил-лиомметра АМ-6000. Принцип работы такого прибора основан на применении 4-проводной схемы измерения, которая позволяет проводить измерения с высокой точностью, исключая влияние сопротивления измерительных проводов.

Для перепроверки выявленных при тестировании МПП дефектных металлизированных отверстий наиболее пригоден прибор для измерения толщины металлизации в отверстиях печатных плат «ИНТРОМЕТ ИТМ-52», который позволяет измерять толщину меди в диапазоне 10-80 мкм с точностью ±2 мкм, что обеспечивает выявление в металлизированных отверстиях диаметром от 0,45-2 мм трещин, раковин и других дефектов медного покрытия.

Таким образом, современный уровень развития средств прецизионного контроля печатных плат позволяет обеспечить высокое качество печатных плат, прошедших тестирование, как в случаях серийного производства, так и при единичном производстве.