March 26, 2018

インピーダンス制御のための自動2D Metrology

AOI内蔵ツールにより、PCB配線の正確な上端/基部測定を実現

電子データ変換の高速化

4Gテクノロジーが今後10年間のデジタルデータの量と速度の要件に追いついていけないことは明らかです。そのため、接続可能なデバイスの数は4Gの3倍、処理可能なデータ量は4Gの10倍に上ると予想される5Gの開発が急ピッチで進められています。

電子データ変換の高速化を支える新たな方法やツールの開発が続けられる一方、この変革においてPCBが重要な役割を果たすことも想像に難くありません。より大容量のデータ伝送および処理への移行が進むにつれて、配線の速度と寸法を効率的に制御する新しいPCB計測ツールの必要性が高まることでしょう。

高周波エレクトロニクスにおける伝送線路

エレクトロニクスデバイスのコンポーネントを接続する配線の長さは、デバイスが低周波で動作するものであれば問題になりません。その場合、導線の電圧はどの場所でも常に一定であると考えられます。一方、高周波で動作するデバイスの場合、信号のサイクル時間は、信号が相互接続に沿って流れる際の所要時間に相当します。この場合、配線は伝送線路として設計し制御する必要があります。

広帯域幅が求められる電子アプリケーション

以下のアプリケーションでは、高周波とインピーダンス制御を考慮した設計が求められます。

  • セルラー基地局のアンテナやパワーアンプ
  • 高速シリアル通信(PCI Express、InfiniBandなど)
  • 高速メモリとコントローラの間の相互接続(DDR3など)
  • 自動車のレーダーやセンサー
  • 航空宇宙および軍事アプリケーションにおける重要なリアルタイム管制システム

PCB相互接続の寸法と伝送速度

線路信号の速度と減衰は線路のインダクタンスとキャパシタンスによって変わってきますが、線路のインダクタンスとキャパシタンスは導体線の寸法、誘電体層の厚さ、誘電正接(εr)によって決まります。

  

InPlanエンジニアリングツールに組み込まれたFrontlineインピーダンスソルバーツール

高周波PCBを設計する場合、専用のCADシミュレーションツールで必要なパターン構造と材料を計算しなければなりません。ところが、エッチング、ラミネート圧力、めっき、その他のプロセスによって生じる生産時のばらつきは配線幅や配線形状が変化する原因となり、それに伴って線路の減衰やインピーダンスも変わってしまいます。そのため、設計の寸法をあらかじめ定義した許容差の範囲内に確実に収めることで、生産工程全体を通して重要な線路の速度とタイミングを適切に制御する必要があります。

高周波での銅線の形状とインピーダンス値

いくつかの要因がPCB伝送線路の電気特性に影響を与えます。

配線幅の精度と安定性

インピーダンス特性は、配線の幅と形状の影響を受けます。配線の幅を小さくすると、インダクタンスが大きく、キャパシタンスが小さくなり、単位長さあたりの線路インピーダンスは大幅に増加します。したがって、高いインピーダンス精度が求められる場合は、配線幅の測定と制御が不可欠です。

銅線の形状と信号の整合性

超高周波では、信号損失と遅延時間は線路のインダクタンスとキャパシタンスの影響を受け、線路のインダクタンスとキャパシタンスは配線寸法の影響を受けます。

微細PCBパターンでは、エッチングやめっきのプロセス、パネル全体での銅密度の差異が原因で、配線の断面寸法のばらつきが発生します。

配線の断面形状を制御し維持することは、以下の理由から高周波アプリケーションにとって非常に重要です。

  • 配線の断面積が小さくなると、インピーダンスが増加する
  • 壁が直線であれば、配線の特性インピーダンスが理論上の計算値に近づく
  • 配線間の距離が非常に近い場合、特に高密度パターンや平面台形形状では、多大なクロストークが発生し、配線内の信号が別の配線内の信号に悪影響を及ぼす

現在そして今後5年間のPCBにおけるインピーダンス制御

現在、インピーダンス制御の許容差は一般的に±10%であり、1つの設計につきいくつかの配線のみが重要と定義されます。インピーダンスは、パネル上のインピーダンス制御クーポン(PCBの有効領域外に配置)によって測定されます。インピーダンスの測定は、特殊な電気インピーダンステストプローブを使用し、PCBクーポンパッドに触れることで行います。このテストは、最終段階でいくつかのパネルに対して実施されます。

また、各生産ロットから抜き取ったパネルの配線幅と配線間隔のサイズを手動で測定する一般的な手順として、工程内品質管理(IPQC)というものがあります。この測定には1箇所あたり30~60秒かかり、パネルごとに多数のテストポイントを使用すると非常にコストがかさみます。そのため、1ロットにつき1、2枚のパネルで数箇所の測定を行うだけになりますが、それでは超高周波基板の大量生産には不十分です。

手動での配線幅測定 

オルボテックの2D Metrology - AOIの新たな局面

AOIビデオ顕微鏡を備えた自動2D Metrologyツール

今日、すべてのPCBパネルの内層と外層に対して、重大な欠陥や品質上の欠陥がないかどうかの検査が行われます。ところが、AOI装置では、インピーダンス制御に必要な解像度と精度で配線の幅と形状を測定することはできません。そこで、AOI操作フロー内で配線の幅と形状を測定する新しい2D Metrologyツールをご用意しました。2D Metrologyは以下の機能を備えています。

  • 100µm未満の配線幅に対して±2µmの精度
  • 配線の測定1回あたり1.5秒 - 測定ポイントへの移動、画像の取り込み、測定に要する時間
  • 配線形状の測定 - 上端と基部の配線幅

オルボテック独自の2D Metrologyでは、積層材料の紫外線照度と蛍光画像を利用し、銅線の基部の高精度測定を確実に行っています。

また、測定は垂直線、水平線、対角線、コーナー、円形パッド、長方形パッドに対して実施できます。

これらの測定値は自動的に記録、表示され、プロセスエンジニアとセントラルSPCシステムにレポートが送信されます。 

2D Metrologyの利点

オルボテックの2D Metrology内蔵AOIを使用するPCBメーカーは、主に以下のようなメリットを享受しています。

  • 一貫した自動測定
  • 簡単な取り扱い(労力と損傷の低減)
  • 導体の上端と基部の幅を測定
  • 短時間で簡単に高いサンプリングレートを実現 - 1パネルあたり10~15分かかっていたのを1パネルあたり数秒に高速化
  • 手動測定時よりも高い再現性
  • オンラインの結果と統計 - 優れたトレーサビリティツール

Industry 4.0/スマートファクトリーツールに組み込まれた2D Metrologyレポート

各パネルで2D Metrologyによって収集された上端と基部の配線測定値は、オルボテック・スマートファクトリーソリューションの一部であるオルボテック・データサーバー(ODS)にアップロードされます。

その後、測定値が分析され、PCBメーカーのニーズに応じて統計レポートを抽出できるようになります。

まとめ

近い将来、高速エレクトロニクス設計と厳密なインピーダンス制御が施された伝送線路を特徴とする高周波数デジタルモバイルエレクトロニクスに対応したPCBの生産量が増加するでしょう。

クーポンや、1パネルあたり複数箇所の配線寸法測定を1バッチあたり1パネルで行うなどの一般的なインピーダンス制御手法は、新しいソリューションに置き換える必要があります。この自動ソリューションでは、かつてないほど高速かつ正確にバッチ内のすべてのパネルで複数箇所が測定されます。

2D Metrologyは、ほとんどのオルボテックAOIソリューションに内蔵可能な自動測定ツールで、上端と基部の配線測定をオペレータに依存しない正確な測定モードで実行できる機能を有しています。測定は高速で完全に自動化されており、PCBメーカーやOEMのニーズを満たす高いサンプリングレートと自動レポートツールをサポートしています。

2D Metrologyは、世界各国の大手PCBメーカーやOEMでテストされ、認められており、ほとんどのオルボテックAOIユーザーにご利用いただけます。

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