СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРОВОДНИКОВ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Российский патент 2023 года по МПК G01N25/72 H05K13/08 

Настоящее изобретение относится к неразрушающим методам контроля качества и может быть использовано для визуализации скрытых дефектов проводников многослойных печатных плат (МПП).

Известен способ контроля качества печатных плат, заключающийся в том, что проводники исследуемой печатной платы контактируют проводящими зондами, нагревают заданное время, по параметрам сигнала теплового приемника определяют качество металлизации (см. патент 2159522 РФ. Способ контроля качества металлизации отверстий печатных плат / Плотников Ю.А., Поляхов М.Ю., Чернов Л.А. – Опубл. 20.11.2000. Бюл. № 32).

Недостатком известного способа является то, что способ применим для обнаружения дефектов металлизации отверстий и не предназначен для визуализации скрытых дефектов проводников МПП.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ контроля качества проводников МПП, заключающийся в том, что исследуемую МПП подвергают воздействию электромагнитного излучения, измеряют информативный параметр и сравнивают его значение со значением, предварительно измеренным на образцовой МПП (см. А. С. № 1580598 СССР. Способ контроля качества многослойных печатных плат и устройство для его осуществления / Романов В.П., Матвеев В.Б. и Чинякин С.П. Опубл. 23.07.1990 г. Бюл. № 27.), принятый за прототип.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что он не дает информации о характере и месте расположения дефекта. Известный способ невозможно использовать для контроля качества проводников в целях совершенствования технологического процесса изготовления МПП. Для определения характера и места дефекта потребуются дополнительные материальные и временные затраты.

Технический результат – визуализация скрытых дефектов слоев с проводниками многослойных печатных плат.

Технический результат достигается тем, что в известном способе контроля качества проводников многослойных печатных плат, заключающемся в том, что контролируемую многослойную печатную плату подвергают воздействию электромагнитного излучения, измеряют информативный параметр и сравнивают с результатами измерения на образцовой многослойной печатной плате, отличие состоит в том, что печатную плату помещают в реверберационную камеру с равномерно распределенным электромагнитным излучением, в качестве информативного параметра выбирают температуру проводников, которую определяют по термограммам тепловизора, причем тепловизор размещают снаружи реверберационной камеры, а объектив тепловизора закрывают подвижным защитным экраном, разбивают проводники многослойной печатной платы на группы, не имеющие между собой электрических связей, все группы проводников кроме одной заземляют проводящими зондами, электромагнитным излучением заданной мощности нагревают незаземленную группу проводников, после нагрева открывают подвижный защитный экран и регистрируют термограмму печатной платы тепловизором, по окончании контроля первой группы проводников восстанавливают её заземление, подвергают контролю следующую группу проводников, отключая её от заземления, нагревая электромагнитным излучением и регистрируя термограмму тепловизором, процедуру повторяют для всех групп проводников.

Сущность изобретения заключается в следующем. МПП содержит слои с проводниками, металлизированные отверстия и диэлектрические слои. Требования к обеспечению качества проводников МПП при их изготовлении определены в ГОСТ Р 56251-2014 «Платы печатные. Классификация дефектов». Большая часть дефектов печатных плат обнаруживается визуально. Визуализация дефектов позволяет выявить несовершенства технологического процесса изготовления МПП и оперативно внести в него изменения. Для визуализации скрытых дефектов МПП в заявляемом способе проводники и диэлектрические слои нагреваются электромагнитным излучением. Электромагнитное излучение нагревает металлические проводники и диэлектрические слои с разной температурой. На границе между проводником и диэлектриком образуется температурный контраст, который визуализируется тепловизором. Тепловизор предназначен для регистрации распределения температуры поверхности проводника и определения величины отклонения температуры по сравнению с образцовой МПП. Температура проводников неоднородна, отображается на дисплее разными цветами и пересчет цветов в температуру осуществляется программным обеспечением тепловизора.

Вблизи поверхности металлических проводников при воздействии электромагнитного излучения высокой частоты протекают вихревые токи. Толщину слоя проводника с поверхностным током, вызываемого скин-эффектом, определяют по глубине скин-слоя δ. Частота F электромагнитного излучения влияет на величину скин-слоя. Чем выше частота F, тем тоньше скин-слой δ. Как правило, проводники печатных плат изготавливают из меди. Для медного проводника величина скин-слоя определяется по формуле:

, (1)

где μ_r – относительная магнитная проницаемость, для меди μ_r = 1 ; σ_r – относительная проводимость, для меди σ_r = 1; частота F в Гц (см. Уилльямс, Т. ЭМС для разработчиков продукции. – М. : Издательский Дом «Технология», 2003 г. – С. 515, 516).

Вихревые токи вызывают нагрев проводников. Греющая мощность при нагреве скин-слоя определяется выражениями

Р = I²r или P = kε², (2)

где I – сила вихревого тока; r – сопротивление скин-слоя; k – коэффициент пропорциональности; ε – возникающая в нагреваемом проводнике ЭДС [В] (см. например, Болотов, А.В. Электротехнологические установки: Учеб. для вузов. /А.В. Болотов, Г.А. Шепель. – М.: Высш. шк., 1988. – С. 65.).

Нагрев диэлектрических слоев МПП нежелателен, так как уменьшается температурная контрастность между металлическим проводником и диэлектрическим слоем. Нагрев диэлектрических слоев можно уменьшить выбором меньшей частоты F или/и ограничением времени воздействия электромагнитного излучения. Удельную греющую мощность Р_уд диэлектрических слоев можно определить, например, по выражению:

, (3)

где: ε^/, tgδ – относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика; Е – напряженность электрического поля,; - электрическая постоянная (см. Архангельский Ю.С. Сверхвысокочастотная электротехнология. Саратовская школа электротехнологов // Вестник СГТУ, 2011. №4. Выпуск 3. С. 5-15).

Контроль качества проводников осуществляется тепловизором при воздействии на МПП электромагнитного излучения. Следовательно, необходимо обеспечить как открытость поверхности печатной платы для мониторинга тепловизором, так и удовлетворительную равномерность распределения электромагнитного излучения вдоль поверхности.

В реверберационной камере используется электромагнитное излучение от ВЧ до СВЧ диапазонов (см., например, Демаков А.В. Совершенствование камер для испытаний на электромагнитную совместимость. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Томск. 2019. С. 94-115.; Петровичев А. Испытания на устойчивость к воздействию HIRF-полей //Электроника. Наука. Технология. Бизнес. №5. 2019. С. 80-82.). Реверберационная камера оборудуется генератором высокочастотных сигналов, передающей антенной, поворотным механизмом с металлическими пластинами (тюнером) для получения лучшего равномерного распределения электромагнитного излучения. Стенки камеры, в том числе пол и потолок, выполнены из отражающих электромагнитное излучение материалов. Электромагнитные волны в замкнутом пространстве многократно переотражаются от стенок камеры и пластин тюнера с образованием до 60 и более типов волн на заданной частоте. Чем больше количество типов волн, тем однороднее распределено электромагнитное поле в рабочем пространстве камеры. Плоскость печатной платы располагают перпендикулярно оси объектива тепловизора. На противоположной стороне печатной платы производят коммутацию проводников заземленными зондами. Ограничений с выбором пространства для размещения контролируемой МПП внутри реверберационной камеры практически нет. Изменяя угол наклона пластин и поворота тюнера, можно увеличить напряженность электрического поля на порядок. В этом случае можно использовать источник электромагнитного излучения меньшей мощности (см., например, А. Петровичев. Испытание на устойчивость к воздействию HIRF-полей // Электроника. Наука. Технология. Бизнес. №5 (00186), 2019. С. 80-82).

Тепловизор объективом примыкает к отверстию в стенке камеры с наружной стороны. Поскольку в реверберационной камере генерируется более 60 типов волн, то часть из них с небольшой критической длиной волны способна проникнуть через отверстие. Для предотвращения попадания высших типов волн на фоточувствительные элементы тепловизора необходимо на время действия электромагнитного излучения закрывать объектив подвижным защитным экраном. После нагрева печатной платы открывают защитный экран и записывают термограмму тепловизором. Сравнивают температуры термограмм контролируемой и образцовой МПП. Расхождение температур термограмм свидетельствует о наличии дефекта. Образцовую печатную плату выбирают из числа плат, прошедших контроль качества заявляемым способом с сохранением геометрии внутренних поверхностей реверберационной камеры и позиционирования печатной платы и передающей антенны.

Одновременный нагрев всех проводников МПП приведет к наложению слоев термограмм друг с другом, что усложнит анализ изображений. Для упрощения поиска дефектов и уменьшения ошибок при контроле в заявляемом способе разбивают проводники МПП на группы, не имеющих между собой электрических связей, выбранные группы проводников заземляют проводящими зондами. Электромагнитным излучением заданной мощности нагревается незаземленная группа проводников. По окончании контроля первой группы проводников восстанавливают её заземление, подвергают контролю следующую группу проводников, отключив её заземления и повторив нагрев электромагнитным излучением и запись термограмм тепловизором.

Заземление проводников позволяет уменьшить наводимую в проводниках ЭДС (см. формулу (2)) или полностью её исключить. Наименьшая ЭДС наводится при заземлении проводника, по крайней мере, в трёх точках – по краям и между краями (см., например, Денисенко, В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. – М.: Горячая линия-Телеком, 2009. С. 208.; Закарюкин В.П., Крюков А.В., Нгуен Ты. Определение наведенных напряжений, создаваемых трехфазными линиями электропередачи в особых режимах // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019, № 23 (5). С. 911- 923.). Заземленные проводники нагреваются диэлектрическими слоями (см. формулу (3)). Температура заземленных проводником будет примерно равна температуре диэлектрических слоев. Цвета термограмм диэлектрических слоёв и слоев заземленных проводников будут сливаться и не искажать термограмму незаземленных проводников.

На фигуре представлена схема, поясняющая способ контроля качества проводников МПП.

Схема содержит корпус реверберационной камеры 1, контролируемую МПП 2, передающую антенну 3, генератор высокой частоты 4, тепловизор 5, объектив тепловизора 6, тюнер 7, подвижный защитный экран 8, рамку с проводящими зондами 9, элементы крепления 10.

Способ контроля качества проводников МПП реализуется следующим образом. Корпус реверберационной камеры 1, тюнер 7, подвижный защитный экран 8 объектива 6, рамка с зондами 9, элементы крепления 10 заземлены. Генератором высокой частоты 4 задают мощность электромагнитного излучения антенной 3. Поворотом и изменением угла наклона тюнера 7 подстраивают напряженность электрического поля внутри реверберационной камеры 1 на заданную величину.

Например, имеем следующие основные характеристики МПП и реверберационной камеры: длина и ширина МПП – 0,4 м; толщина МПП d = 3 мм; толщина медных проводников МПП h = 35 мкм; тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрического слоя МПП tgδ = 0,005; диэлектрическая проницаемость ε^/= 3; коэффициент теплопроводности диэлектрического слоя λ = 0,6 , удельное электрическое сопротивление меди ρ = 8900 ; напряженность электрического поля внутри реверберационной камеры = 100÷200 .

Внутри корпуса реверберационной камеры 1 закрепляют контролируемую МПП 2 и рамку с проводящими зондами 9 элементами крепления 10.

Выбирают частоту электромагнитного излучения на генераторе высокой частоты 4, соединенного кабелем с передающей антенной 3. Определяют глубину скин-слоя в медных проводниках. Например, на высокой частоте F = 200 МГц общая глубина скин-слоя δ медного проводника по формуле (1) составит 9,4 мкм (сумма глубин скин-слоя обеих плоскостей проводника). Мощность нагрева диэлектрических слоев МПП 2 с учетом формулы (3) составит Р_диэл = Р_уд ∙V, где V – объем диэлектрических слоев МПП. На частоте 200 МГц и объеме V= 0,00048 м³, греющая мощность диэлектрических слоев будет равна Р_диэл = 0,5÷1,6 мВт. Практически нагрев диэлектрических слоев на ВЧ отсутствует.

Разбивают проводники контролируемой МПП 2 на группы, н имеющие между собой электрических связей. Все кроме одной группы проводников заземляют рамкой с проводящими зондами 9. Электромагнитным излучением заданной мощности нагревают незаземленную группу проводников.

Оценим величину уменьшения температуры нагрева на фрагменте поверхности МПП от нагретого проводника внутреннего слоя длиной а = 10 мм и шириной b = 1 мм. Для этого примем угол растекания теплового потока от нагретого проводника равным 45^о. Область распространения теплового потока условно представлена в форме пирамиды с 4 гранями с углом наклона 45^о к основанию. В вершине пирамиды находится источник тепла размером а× b, а в основании – часть наружной поверхности МПП. Расстояние от источника тепла до наружной поверхности МПП составляет d/2 = 1,5 мм. Тепловое сопротивление фрагмента МПП будет равно

R_T = = 1,1

где R_T - тепловое сопротивление диэлектрического слоя толщиной d/2; λ - коэффициент теплопроводности материала диэлектрика МПП (см., например, Закс, Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем / Д.И. Закс. – М. : Радио и связь, 1983. С. 80,81).

Выберем мощность нагрева проводника МПП с избытком. Известно, что мощностью Р_изл = 1 кВт электромагнитного излучения нагревают образец меди массой m_м = 25000 мгр на частоте 2,45 ГГц до температуры 228 ^оС (см., например, Бикбулатов И.Х. и др. Применение электромагнитного излучения СВЧ диапазона в химической технологии // Бутлеровские сообщения. Том 18 (№8). 2009. Таблица 1.5. С. 5.). Удельная мощность будет равна Р_уд = Р_изл/m_м = 0,04 . Греющая мощность проводника будет равна Р_пр = Р_уд ∙(a∙b∙h)∙ρ = 0,12 Вт. Температура на поверхности МПП уменьшится на величину ΔТ = Р_пр∙R_T = 0,13 К. Температура уменьшится на величину, соизмеримую с чувствительностью тепловизора. Слой диэлектрика не оказывает заметного влияния на дисперсию ИК-излучения.

После нагрева открывают защитный экран 8 объектива 6 и записывают термограмму тепловизором 5. По окончании контроля первой группы проводников восстанавливают её заземление, подвергают контролю следующую группу проводников с отключением её от заземления. Повторяют нагрев электромагнитным излучением и запись термограмм тепловизором 5.

Сравнивают температуры термограмм контролируемой и образцовой МПП по каждой группе проводников визуально или с помощью компьютерных программ. Проводят поиск проводников с геометрическими отклонениями, наличие не предусмотренной технологией изготовления МПП металлизации. Расхождение температур термограмм свидетельствует о наличии дефекта.

Таким образом, технический результат заявляемого изобретения, а именно - визуализация скрытых дефектов слоев с проводниками многослойных печатных плат, достигнут.

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля качества и может быть использовано для визуализации скрытых дефектов проводников многослойных печатных плат (МПП). Технический результат – визуализация скрытых дефектов слоев с проводниками МПП. Технический результат достигается тем, что проводники МПП разбивают на группы, не имеющие между собой электрических связей. Все группы проводников, кроме одной, заземляют проводящими зондами. Электромагнитным излучением (ЭИ) нагревают незаземленную группу проводников. После нагрева открывают защитный экран тепловизора и записывают термограмму. По окончании контроля первой группы проводников восстанавливают её заземление и подвергают контролю следующую группу проводников, отключая её от заземления, нагревая ЭИ и регистрируя термограмму тепловизором, процедуру повторяют для всех групп проводников. Нагрев проводников МПП осуществляют в реверберационной камере. Внутри камера оборудована передающей антенной, поворотным механизмом с металлическими пластинами и отверстием для присоединения объектива тепловизора с подвижным защитным экраном. Снаружи камеры размещают генератор высокочастотных сигналов для генерации ЭИ в камере и тепловизор для регистрации термограмм МПП. 1 ил.

Способ контроля качества проводников многослойных печатных плат, заключающийся в том, что контролируемую многослойную печатную плату подвергают воздействию электромагнитного излучения, измеряют информативный параметр и сравнивают его значение со значением, измеренным на образцовой многослойной печатной плате, отличающийся тем, что печатную плату помещают в реверберационную камеру с равномерно распределенным электромагнитным излучением, в качестве информативного параметра выбирают температуру проводников, которую определяют по термограммам тепловизора, причем тепловизор размещают снаружи реверберационной камеры, а объектив тепловизора закрывают подвижным защитным экраном, разбивают проводники многослойной печатной платы на группы, не имеющие между собой электрических связей, все группы проводников, кроме одной, заземляют проводящими зондами, электромагнитным излучением заданной мощности нагревают незаземленную группу проводников, после нагрева открывают подвижный защитный экран и регистрируют термограмму печатной платы тепловизором, по окончании контроля первой группы проводников восстанавливают её заземление, подвергают контролю следующую группу проводников, отключая её от заземления, нагревая электромагнитным излучением и регистрируя термограмму тепловизором, процедуру повторяют для всех групп проводников.