Способ контроля отклонений ширины проводников печатной платы от номинальных значений
METHOD FOR CONTROL OF PRINTED BOARD CONDUCTORS WIDTH DEFLECTIONS FROM NOMINAL VALUES

Изобретение относится к радиоэлектронной СВЧ технике и предназначено для контроля технологических процессов производства малогабаритных функциональных устройств управления и обработки сигналов.
Известен патент на повышение точности измерения параметров проводников печатных плат (величины удельного поверхностного сопротивления) (см. патент SU 1686961), в котором эффект достигается тем, что для тестовой платы выполняются измерения волнового сопротивления несимметричной линии передачи.
К недостатку данного изобретения по сравнению с предлагаемым способом относятся ограничение применения измерений волнового сопротивления только контролем величины удельного поверхностного сопротивления.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ допускового контроля ширины проводников печатных плат (см. патент RU 2519005 С1), в котором из матрицы исходного изображения формируют дополнительную матрицу, в которой области связанных элементов изображения соответствуют фрагментам изображения, размер которых превышает минимально допустимую величину, задаваемую коэффициентами изотропного сжатия и расфокусировки, путем логического вычитания отсчетов дополнительной матрицы из матрицы исходного изображения получают матрицу дефектов, в которой выделяют области связанных элементов, соответствующие дефектам, и дефектные участки, примыкающие к областям связанных элементов дополнительной матрицы, из этих дефектных участков выбирают двухсвязные дефектные участки, которые маркируют и определяют для них координаты центров тяжести, при этом выявляют раковины печатных проводников, имеющие смежные двухсвязные дефекты, через центр тяжести каждой такой раковины и центр тяжести каждого смежного с ней двухсвязного дефекта проводят прямолинейное сечение печатного проводника, суммарную ширину печатного проводника в области раковины определяют как разность между длиной этого сечения и суммарной длиной его отрезков, пересекающих раковины, если суммарная ширина печатного проводника в области раковины меньше минимально допустимой ширины печатного проводника, то делают вывод о том, что в области данной раковины обнаружено недопустимое заужение печатного проводника.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, относятся использование визуального контроля отклонения ширины всех проводников от допустимых значений непосредственно на изделии, что требует формирования изображения проводника, значительно увеличивает трудоемкость операций контроля и не позволяет учитывать изменение ширины проводника по глубине слоя металлизации.
Технический результат заключается в снижении трудоемкости, повышении оперативности контроля ширины проводников двусторонних печатных плат без визуальных измерений ширины проводников.
Поставленная цель в способе достигается тем, что с помощью аналитического выражения рассчитывают волновое сопротивление (ВС) проводника в виде микрополосковой линии на двусторонней печатной плате при заданных значениях диэлектрической проницаемости и толщины основания платы, толщины слоя металлизации и ширины тестируемого проводника; на тестовой плате с заданными значениями диэлектрической проницаемости и толщины основания платы, толщины слоя металлизации с помощью применяемой производителем технологии изготавливают тестовый образец с тестируемым проводником заданной ширины; с помощью динамического рефлектометра измеряют волновое сопротивление тестируемого проводника; находят разность между значениями расчетного волнового сопротивления тестируемого проводника и измеренного волнового сопротивления проводника на тестовом образце печатной платы; рассчитывают коэффициент влияния относительной погрешности ширины тестируемого проводника на погрешность волнового сопротивления; относительную погрешность волнового сопротивления проводника тестового образца делят на рассчитанный коэффициент влияния, найденное результирующее значение показывает относительную производственную погрешность ширины проводника в тестируемом фотолитографическом процессе формирования проводников печатной платы; умножая относительную производственную погрешность на номинальное значение ширины тестируемого проводника, находят абсолютную производственную погрешность ширины проводников печатной платы.
Перечисленные отличительные признаки заявляемого изобретения позволяют снизить трудоемкость и повысить оперативность определения производственной погрешности ширины проводников путем измерения погрешности волнового сопротивления тестового образца, не прибегая к визуальным измерениям геометрических размеров проводников на изготовленных образцах печатной платы (ПП) и сложному, трудоемкому анализу графических образов.
Перечень чертежей
На фиг. 1 изображено сечение микрополосковой линии с обозначением геометрических размеров проводника и печатной платы.
На фиг. 2 изображен рисунок слоев тестового образца ПП.
В основе способа лежит аналитическое выражение для определения волнового сопротивления Z микрополосковой линии (фиг. 1) [Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровом быстродействующей аппаратуры / Л.Н. Кечиев. - М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. - 616 с.: ил.]
где w - ширина проводника;
t - толщина проводника;
ms
h - толщина платы;
r
ε - диэлектрическая проницаемость основания печатной платы тестового образца.
1
2
n
Согласно теории допусков [Фомин А.В и др. Допуски в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Сов.радио, 1973, с. 10], если имеется аналитическое выражение для выходного параметра N через параметры элементов q, q, …, q: , то относительная погрешность выходного параметра может быть рассчитана с помощью выражения
где  - относительная погрешность выходного параметра N;
- функция зависимости выходного параметра от параметров элементов;
i
q - i-й параметр;
- относительная погрешность i-го параметра.
Выходным параметром в данном случае является ВС Z, а функция  представлена выражением (1).
i
Уравнение (2) является исходным для расчета допусков. Левая часть уравнения представляет собой относительную погрешность выходного параметра радиоизделия, а правая - сумму вклада относительных погрешностей параметров элементов радиоизделия в погрешность выходного параметра. Член уравнения в квадратных скобках называется коэффициентом влияния параметра q, который будем обозначать в дальнейшем .
Используя формулу (2), запишем аналитическое выражения для расчета относительной погрешности для волнового сопротивления
ε
r
где A - коэффициент влияния погрешности диэлектрической проницаемости ε;
r
- относительная погрешность диэлектрической проницаемости ε;
h
ms
A - коэффициент влияния погрешности толщины ПП h;
ms
- относительная погрешность толщины ПП h;
w
A - коэффициент влияния погрешности ширины проводника w;
- относительная погрешность ширины проводника w;
t
A - коэффициент влияния погрешности толщины слоя металлизации t;
- относительная погрешность толщины слоя металлизации (проводника) t.
r
ms
Параметры ε, h, t тестового образца формируются в операциях технологического процесса, выполняемых до операции травления. Поэтому при изготовлении тестового образца их необходимо зафиксировать (измерить) и учесть в расчетах. Таким образом, погрешности , ,  не будут оказывать влияние на погрешность расчетного волнового сопротивления тестируемого проводника. Поэтому погрешности, вносимые данными параметрами, на стадии процесса травления тестовой платы можно не учитывать. На погрешность волнового сопротивления тестируемого проводника влияние при формировании рисунка проводника окажет только разброс ширины проводника Δw и уравнение погрешности примет вид
Отсюда следует аналитическое выражение для расчета относительной погрешности ширины тестируемого проводника от погрешности волнового сопротивления
Для расчета коэффициентов влияния погрешности ширины проводника w используем формулу
полученную с помощью выражений (1) и (2).
Тестовый образец для проверки ВС должен располагаться вне печатной платы на производственной заготовке. Конструкция слоев тестового образца показана на фиг. 2. Сигнальный проводник расположен в слое 1. Слой «земли» 2 имеет сплошное покрытие.
В слое 1 на конце проводника сформирована круглая контактная площадка 3, которая служит для подключения головки пробника динамического рефлектометра, используемого производителем печатной платы. Квадратная контактная площадка 4 в слое 1 используется для подключения «земли». В центре площадки 4 располагаются металлизированные отверстия для связи со слоем металлизации 2.
Оптимальные размеры тестового образца составляют приблизительно 20 мм на 170 мм. Для проверяемого проводника рекомендуется длина 150 мм (в зависимости от применяемой производителем технологии проверки ВС).
Способ определения и контроля отклонений ширины проводников печатной платы от номинальных значений осуществляется следующим образом.
r
ms
1. Зная номинальные значения параметров ε, h, t, w тестового образца, с помощью формулы (1) выполняют расчет ВС Z проводника тестируемой печатной платы.
r
ms
2. С помощью применяемой производителем технологии изготавливают тестовый образец печатной платы с заданными значениями параметров ε, h, t, с проводником в виде микрополосковой линии (фиг. 1) с заданной ширины w с контактными площадками для подключения пробника динамического рефлектометра.
3. К контактным площадкам печатного проводника подключают пробник динамического рефлектометра (для измерения волнового сопротивления можно использовать, например, динамический рефлектометр MZPC30/50, который имеет встроенный ПК и специализированное программное обеспечение).
4. Измеряют волновое сопротивление Z' проводника тестового образца печатной платы.
5. Определяют относительную погрешность ВС относительно номинала
где Z' - измеренное значение ВС тестового образца;
Z - номинальное значение ВС.
w
6. С помощью формулы (6) рассчитывают коэффициент влияния A ширины проводника на ВС Z.
w
7. С помощью формулы (5) определяют относительную производственную погрешность ширины проводника δ, которая показывает отклонение ширины проводника тестового образца от требуемых значений.
w
8. По относительной погрешности δ рассчитывают абсолютную погрешность отклонение ширины проводников печатной платы от номинала
Применение способа
- не требует проведения трудоемких визуальных измерений отклонения ширины проводника от номинальных значений под воздействием погрешностей технологического процесса формирования проводящего слоя печатной платы,
- позволяет оперативно контролировать по тестовому образцу ширину проводника в технологическом процессе изготовления печатных плат, что выгодно отличает предлагаемое техническое решение от существующих способов контроля.
Предлагаемые технические решения являются новыми, поскольку из общедоступных сведений не известен предлагаемый способ измерения погрешностей изготовления проводников печатных плат.
Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций способа приводит к повышению эффективности измерения ширины проводников печатной платы.
Предлагаемые технические решения промышленно применимы, так как основано на технологических процессах, широко применяемых при изготовлении печатных плат и известных способах измерения волнового сопротивления проводников.