Hochfrequenz 5G drahtlose Infrastruktur erfordert einen neuen Ansatz für die Leiterplattenherstellung

Hochfrequenz 5G drahtlose Infrastruktur erfordert einen neuen Ansatz für die Leiterplattenherstellung

21. Juni 2018

Es wurde viel über die bevorstehende weltweite Einführung von der 5G drahtlosen Infrastruktur und die tiefgreifenden Auswirkungen, die sie auf alles angefangen von Mobiltelefonverbindungen und festen drahtlosen Diensten bei Transport-, Industrie- und Unterhaltungsanwendungen und darüber hinaus haben wird, geschrieben. Mit der Fähigkeit, 10-mal schnellere Datenraten bereitzustellen– mit dem Ausblick zu 100mal schnelleren Geschwindigkeiten - und 1000-mal mehr Datenverkehr bewältigen zu können, wird 5G eine einheitliche Vernetzung ermöglichen, die die Menschen, autonome Fahrzeuge, IoT-Geräte, Industriemaschinen sowie die zivile Infrastruktur umfasst.

Bei schnelleren Download-Geschwindigkeiten kommt es zum niedrigeren Verzögerungszeiten. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen, bei denen eine Systemreaktion in nahezu Echtzeit erforderlich ist. Dies wird Auswirkungen auf das nahtlose Ineinandergreifen von Augmented-Reality- und Virtual-Realiy-Erfahrungen (AR/VR) haben, sowie der Präzision der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M), und der Produktivität industrieller Infrastruktur haben. Ultrakurze Verzögerungszeiten in der 5G drahtlosen Infrastruktur sind vielleicht am wichtigsten für die Gewährleistung eines sichereren Verkehrs durch die verbesserte Vernetzung zwischen autonomen Fahrzeugen und Umgebungssensoren. Denn bei Fahrgastsicherheit ist jede Millisekunde der Fahrzeugreaktionszeit kritisch.

Bei diesen 5G-gesteuerten Anwendungen ist der Spielraum für Fehler unglaublich klein und das Risiko von Systemfehlfunktionen oder Kommunikationsfehlern wächst exponentiell mit jedem neuen elektronischen Gerät, das mit dem Netzwerk verbunden wird. Auf Geräteebene bedeutet dies, dass jede einzelne Leiterplatte höheren Leistungs- und Qualitätsstandards unterworfen werden muss, um die Echtzeit 5G Kommunikation kontinuierlich sicherzustellen. Während verschiedene Technologien und Prozesse entwickelt werden, um diese Herausforderungen zu meistern, überdenken die Leiterplattenlieferanten ihre Produktionsprozesse mit Blick auf neue Fertigungssysteme, die die Qualitätssicherung verbessern und gleichzeitig die Produktionseffizienz steigern.

Signal-Integrität Herausforderungen

Die höheren Frequenzen, die 5G innewohnen, stellen eine Hauptherausforderung für die Leiterplattenherstellung dar, die durch die kleiner werdenden Formfaktoren von elektronischen Bauelementen noch verstärkt wird. Die hochdichten Verschaltungen (HDIs), die für diese kompakten Geräte entwickelt wurden, erfordern dünnere Leiterbahnen, um die Anzahl der Anschlüsse zu maximieren und gleichzeitig die Systemgröße zu minimieren. Feinere Leitungen können auf der anderen Seite ein erhöhtes Risiko der Signalverschlechterung mit sich bringen. Wenn sich die physikalischen Eigenschaften einer Leitung – beispielsweise ihre obere und untere Breite – in irgendeiner Weise von dem beabsichtigten Entwurf unterscheidet, kann die RF-Signalübertragung um Millisekunden verzögert werden, mit negativen Auswirkungen über die Signalkette hinweg, wenn die Signale nicht synchronisiert sind.

Abbildung 1. Nutzung der 2D-Messtechnik zur Prüfung und Messung der oberen und unteren Leiterbahnbreite einer Leiterplatte

Die Integrität des Hochfrequenzsignals hängt von der strengen Impedanzkontrolle in den engen Geometrien der Leiterbahn ab. Die Impedanz wird durch die Querschnittsgeometrie, die Form, die Linien- / Zwischenraumbreite und die diaelektrischen Eigenschaften des Materials der Leiterbahn beeinflusst. Die trapezförmigen Querschnitte, die unter Verwendung von herkömmlichen subtraktiven Ätzprozessen gebildet werden, und die den Leiterbahnen gemeinsam sind, können unzählige Impedanzanomalien aufweisen. Die Entwicklung von modifizierten semi-additiven Prozessen (mSAP) hat dazu beigetragen, dieses Problem zu neutralisieren, denn mit deren Hilfe können Leiterbahnen mit größerer Präzision hergestellt werden, wodurch Leiterbahnquerschnitte mit nahezu senkrechten Wänden entstehen, die ein besser vorhersagbares Impedanzverhalten ermöglichen.

Unabhängig davon, ob mSAP oder konventionelle Methoden verwendet werden, müssen auf jeden Fall Werkzeuge für die automatische optische Inspektion (AOI) eingesetzt werden, um die Leiterplatten auf verschiedene Fehlerarten, von kritischen Kurzschlüssen und offenen Stellen bis zu Kupferoberflächendefekten, zu untersuchen. Bisher war die Hauptaufgabe von AOIs, das CAM-Design zu überprüfen, um sicherzustellen, dass es genau in Serie produziert wurde und den Designregeln entsprach. Dies ist für die heutigen Leiterplatten, die eine bessere Impedanzkontrolle erfordern nicht mehr ausreichend. Hierbei spielen die physikalischen Eigenschaften der Leiterbahnen eine kritische Rolle. Heutzutage gibt es nur wenige AOI-Werkzeuge mit ausreichenden Messfähigkeiten. Die meisten messen nur die obere Leiterbahnbreite, wobei sie die Messung der Breite an der Unterseite vollständig ignorieren. Um das impedanzgerechte Design zu überprüfen, müssen unbedingt Messungen an der Ober- und Unterseite der Leiterbahn vorgenommen werden. Bis jetzt wurden diese Messungen immer manuell mit dem Mikroskop gemacht; ein umständlicher Offline-Prozess, der die Produktion erheblich verlangsamt. Daher wird es normalerweise nur bei einer kleinen Anzahl von Platten angewendet, so dass die meisten Platten nicht getestet werden.

Da heutzutage elektronische Geräte bei einem geringeren Platzbedarf immer mehr Funktionen vereinen, erfordern sie eine immer fortschrittlichere Leiterplattenfertigung, die beispielsweise HDI-Designs mit Laser-Vias (LVs) ermöglicht, die für die Aufnahme einer steigenden Anzahl von Anschlüssen unerlässlich sind. Und, so wie die HDI-Designs und flexible Leiterplatten zur Platzersparnis feinere Leitungen erfordern, benötigen sie auch kleinere Durchkontaktierungen mit höherer Dichte für die Verbindung von Leiterplattenlagen untereinander. Momentan, führen die Leiterplattenhersteller unmittelbar nach dem Laserbohren Stichprobenprüfungen mit einer geringen Anzahl von Laservias durch. Um Prozessqualität und einen höheren Ertrag auch nach der Strukturierung nach LV-Defekten, die während des Galvanikprozesses verursacht werden, sicherzustellen, müssen 100% der Platten inspiziert werden. Zum jetzigen Zeitpunkt sind die Fähigkeiten, die erforderlich sind, um die feinen Leitungsmuster und kleine Durchkontaktierungen während eines einzelnen Scans zu untersuchen, nicht kosteneffektiv und werden auch typischerweise von herkömmlichen AOI-Systemen nicht unterstützt.

Fortschritte in der automatischen optischen Inspektion (AOI)

Bislang mussten Leiterplattenhersteller, die nach den oben genannten AOI-Fähigkeiten und weiteren Funktionen, wie Musterinspektion oder Mehrfachbildprüfung suchten, eine Reihe von unterschiedlichen Werkzeugen nutzen, was zu erheblichen Prozessineffizienzen führte und wertvollen Platz in der Produktion verbrauchte. Im schlimmsten Fall kommt die Produktion zum Stillstand, wenn ein Panel zur manuellen mikroskopischen Messung entnommen wird. Hier kann viel Zeit verloren gehen, und Zeit wird eine besonders wertvolle Ressource für alle Leiterplattenhersteller sein, um eine marktführende Position inmitten des vielversprechenden 5G-Marktes einzunehmen.

Glücklicherweise können diese Herausforderungen mit fortgesetzter Innovation in der AOI-Technologie überwunden werden. Mit der 2D-Messtechnologie (Abbildung 1) haben die Leiterplattenhersteller die Möglichkeit, die Leiterbahnen für obere und untere Leiterbahnbreiten von Leiterplatten automatisch zu prüfen und zu messen. Dies kann ihnen eine optimale Form und Breite der Leiterbahnen gewährleisten und anschließend eine verbesserte Impedanzsteuerung für Hochfrequenz-5G-Geräte ermöglichen. Diese Prüfung kann auch bei hohen Durchsatzraten und bei einer hohen Abtastrate einheitlich durchgeführt werden, was auch zu einer besseren Gesamtausbeute für den Hersteller führt.

Die AOI-Systemintegration schreitet voran und gibt den Leiterplattenherstellern die Möglichkeit, mehrere AOI-Prozesse, wie Leiterbild- und Via-Inspektion oder Leiterbahn- und Pad-Messungen, auf einer einzigen Plattform mit einem geringeren Platzbedarf zu kombinieren. Die Zeit- und Arbeitseinsparungen, die durch intelligente, technologisch fortgeschrittene AOI-Systeme erreicht werden können, bei der mehrere Funktionen durch eine einzige AOI-Lösung ausgeführt werden sowohl wie die damit verbundene Durchsatzsteigerung, sind beträchtlich. Individuelle AOI-Funktionen können zusammengefasst werden, indem neue Single-Scan-Inspektionstechnologien verwendet werden, die mehrere Bilder gleichzeitig analysieren können, um Fehlererkennungsraten für Leiterbild und Laser-Via zu verbessern.

Verbesserungen des Verifizierungsprozesses

Verifizierungsprozesse können nun nahtlos in den AOI-Arbeitsablauf integriert werden, so dass zusätzliche eigenständige Systeme zur Erkennung und Beseitigung von Leiterplattendefekten durch Fehlalarme nicht mehr erforderlich sind. Dies ist besonders wichtig, da Verifikationsverfahren erheblich ressourcenintensiver (in Verhältnissen von bis zu 3:1) als Inspektionsprozesse sein können. Für anspruchsvolle Anwendungen wie 5G, die strengere Verifizierungs- und Qualitätsanforderungen stellen, werden Hersteller, die herkömmliche heterogene AOI-Werkzeuge verwenden, mehr Verifikationsstationen einsetzen müssen, die mehr Platz beanspruchen und mehr Bediener erfordern, als es bei neueren integrierten AOI-Plattformen der Fall ist. Dies führt für sie natürlich auch zu erheblichen Kostensteigerungen.

Mit dem neuen Ansatz werden fortschrittliche künstliche Intelligenz Fähigkeiten (KI) eingesetzt, um Bilder zu überprüfen und Fehlalarme von echten Defekten am Front-End des Prozesses herauszufiltern und automatisch eine große Anzahl von Fehlalarmen zu eliminieren. Auf dem Back-End des Prozesses kann der Bediener durch zusätzliche Automatisierung mehrere Bilder gleichzeitig auf einem einzigen Bildschirm anzeigen, wobei Fehlalarme verursacht durch organisches Material und Oxidation auf dem Bildschirm in Farbcode-Klassifizierungen vorgemerkt werden. Dies ermöglicht dem Bediener, alle verbleibenden Fehlalarme schnell zu eliminieren und die Defekte zu identifizieren, die eine Überarbeitung durch automatisiertes optisches Shaping (AOS) erfordern.

Durch die Automatisierung und eine enge Integration von Verifizierungsprozessen in einen einheitlichen AOI-Arbeitsablauf bleibt den Herstellern der Zeit- und Kostenaufwand erspart, jede einzelne Platte auf eine der vielen Verifizierungsstationen zu untersuchen und Videobilder einzeln zu verwalten. Dies alles kann jetzt in einer einzigen zentralen Remote-Mehrbild-Verifikationsstation (RMIV) durchgeführt werden, die überall in der Fabrik positioniert werden kann. Als zusätzlicher Vorteil, entfällt das Handling der Platten, das erforderlich ist, diese auf den Inspektionstisch zu legen und wieder herunter zu nehmen. Somit wird die Gefahr die Platten zu beschädigen weiter verringert.

Datenanalyse und Rückverfolgbarkeit der Geräte

Ein weiterer Vorteil der AOI-Systemkonsolidierung besteht darin, dass wertvolle Produktionsdaten wesentlich effizienter direkt in der Produktion zur Verfügung stehen, sowie aufbereitet und analysiert werden können, als dies bei heterogenen AOI-Systemen der Fall ist. Daten aus einer Quelle geben den Leiterplattenherstellern die Möglichkeit, schnell relevante Informationen zu extrahieren und wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen, was wiederum schnellere, fundiertere Entscheidungen unterstützt.

Integrierte AOI-Arbeitsabläufe erleichtern zudem die Verfolgung von Leiterplatten anhand eines Barcodes während des gesamten Produktionsprozesses und identifizieren und katalogisieren, wann, wo und wie jede Leiterplatte bearbeitet wurde. Eine vollständige Aufzeichnung des Produktionsprozesses verleiht den Herstellern die Fähigkeit, defekte Leiterplatten frühzeitig zu erkennen und zu isolieren, lange bevor sie in das Endgerät eingebaut werden, wodurch der Prozess verbessert und der Ertrag erhöht wird.

Vorbereitung für 5G

Es wird einige Zeit dauern, bis das volle Versprechen der 5G-Vernetzung erfüllt ist. Derzeit sind Prüfungen und Testbereitstellungen mit begrenzten kommerziellen Anwendungen für 2018 angekündigt. Ein breiter kommerzieller Einsatz wird wahrscheinlich erst in 2019 oder später beginnen. Eine Vielzahl von regulatorischen und technologischen Herausforderungen muss erst für 5G gelöst werden, um eine allgemeine Akzeptanz zu erreichen.

In der Zwischenzeit bereitet sich jeder Teilnehmer der 5G-Technologie-Wertschöpfungskette auf massive Markttransformationen vor. Von Mobilfunkbetreibern über Hersteller von Smartphones und autonomen Fahrzeugen bis hin zu Elektronikgeräte- und Leiterplattenherstellern und weit darüber hinaus. Die enormen Datenmengen, die auf die 5G-Netzwerkknoten zukommen, einschließlich kritischer Daten, die die öffentliche Sicherheit und die industrielle Produktivität beeinflussen, erfordern, dass wir der Qualitätssicherung von Netzwerk zu System zu Komponente eine große Aufmerksamkeit schenken.

Durch den Einsatz fortschrittlicher, integrierter AOI-Technologien können Leiterplattenhersteller, die auf hochfrequente 5G-Systeme mit geringer Verzögerungszeit abzielen, von einer schnelleren, präziseren Überprüfung und Verifizierung von Leiterplatten profitieren und die Rückverfolgbarkeit von Leiterplatten während des gesamten Produktionsprozesses verbessern. Die sich daraus ergebenden Fertigungs- und Kosteneffizienzvorteile werden es den Leiterplattenherstellern ermöglichen, ihre Wettbewerbsfähigkeit im Vorfeld eines massiven und nachhaltigen 5G-Infrastrukturausbaus zu verbessern.

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Der weltweite Rollout von 5G wird voraussichtlich jeden Aspekt unseres Lebens erheblich beeinflussen, von Konnektivität bis Transport, Unterhaltung und mehr. 5G wird eine extrem niedrige Latenz benötigen, was auf der Geräteebene bedeutet, dass jede Leiterplatte außergewöhnlich hohe Standards für Leistung und Qualität erfüllen muss, um die Echtzeit-5G-Kommunikation kontinuierlich sicherzustellen. Benny Solomon, der AOI-Marketingdirektor von Orbotech, geht eingehend darauf ein, was es für die Leiterplattenhersteller bedeutet und welche Technologien sie benötigen werden, um sich entsprechend vorzubereiten.

Von: Benny Solomon, AOI Marketingdirektor, PCB Division, Orbotech 

Published by: Evaluation Engineering