Metrologia 2D automatizzata per il controllo dell’impedenza

Metrologia 2D automatizzata per il controllo dell’impedenza

Lo strumento AOI integrato consente di misurare in modo accurato le parti superiori e inferiori delle piste dei PCB (circuiti stampati)

Accelerazione della trasformazione dei dati elettronici

È chiaro che la tecnologia 4G non potrà mantenere il passo dei requisiti di volume e velocità dei dati digitali previsti per il prossimo decennio. Questo è il motivo del rapido sviluppo della tecnologia 5G che si prevede dovrà connettere un numero di dispositivi almeno triplo e gestire volumi di dati 10 volte superiori al 4G.

Mentre prosegue lo sviluppo di nuovi metodi e nuovi strumenti che supportano l’accelerazione della trasformazione dei dati elettronici, è chiaro che anche i PCB avranno un ruolo fondamentale in questa rivoluzione. Con il passaggio alla trasmissione e all’elaborazione di volumi di dati più elevati si presenterà una sempre maggiore necessità di nuovi strumenti di metrologia per PCB in grado di controllare in modo efficiente la velocità e le dimensioni delle piste.

Piste di trasmissione nei componenti elettronici ad alta frequenza

La lunghezza delle piste che collegano i componenti dei dispositivi elettronici che lavorano a bassa frequenza non costituisce un problema; in questi casi, il voltaggio presente sul cavo si presume costante in ogni punto in qualsiasi momento dato. Tuttavia, per i dispositivi che lavorano a frequenze elevate il tempo di ciclo del segnale è paragonabile al tempo che questo impiega per muoversi lungo l’interconnessione. In questi casi, le piste devono essere progettate e controllate come piste di trasmissione.

Applicazioni elettroniche che richiedono una grande larghezza di banda

Le seguenti applicazioni richiedono impegno nella progettazione per frequenze elevate e impedenza controllata:

• Antenne e amplificatori di potenza per stazioni base cellulari
• Comunicazioni seriali ad alta velocità (ad esempio PCI Express, InfiniBand)
• Interconnessione tra memorie ad alta velocità e relativo controller (ad esempio DDR3)
• Radar e sensori per autoveicoli
• Sistemi di controllo in tempo reale critici per applicazioni aerospaziali e militari

Dimensioni delle interconnessioni e velocità di trasmissione dei PCB

Strumento per la risoluzione dell’impedenza frontline nell’ambito dello strumento di progettazione InPlan

La velocità e l’attenuazione del segnale sulle piste dipendono dalla loro induttanza e capacità; queste sono determinate dalle dimensioni, dallo spessore dello strato di dielettrico e dal fattore dielettrico (εr) della pista conduttrice.

La progettazione di PCB ad alta frequenza richiede strumenti di simulazione CAD dedicati per calcolare la struttura e i materiali da utilizzare per le piste. Tuttavia, le variazioni che si verificano in fase di produzione per incisione chimica, pressione di laminazione, metallizzazione e altri processi causano cambiamenti nella larghezza e nella forma del profilo delle piste che provocano alterazioni dell’attenuazione e dell’impedenza delle piste stesse. Di conseguenza, durante la produzione è necessario controllare adeguatamente la velocità e la tempistica delle piste critiche garantendo che le dimensioni di progetto rientrino nelle tolleranze stabilite.

Forma delle piste in rame e valore della loro impedenza alle alte frequenze

Le proprietà elettriche di una pista di trasmissione su PCB sono influenzate da vari fattori.

Precisione e stabilità della larghezza delle piste

Le caratteristiche di impedenza sono influenzate dalla larghezza e dalla forma della pista. La riduzione della larghezza di una traccia comporta un’induttanza maggiore e una capacità inferiore; ciò fa aumentare significativamente l’impedenza per unità di lunghezza della pista. Di conseguenza, la misurazione e il controllo della larghezza delle piste sono fondamentali quando è richiesta un’impedenza di elevata precisione.

Profilo della pista di rame e integrità del segnale

A frequenze molto elevate, la perdita di segnale e i ritardi di tempo sono influenzati dall’induttanza e dalla capacità della pista, che a loro volta sono influenzate dalle sue dimensioni.

Negli schemi di PCB con piste sottili si verificano variazioni nelle dimensioni della loro sezione trasversale causate dai procedimenti di incisione chimica e placcatura oltre che dalle differenze nel livello di densità del rame nell’intero pannello.

Per numerosi motivi, nelle applicazioni ad alta frequenza è molto importante controllare e mantenere la forma della sezione trasversale delle piste:

• L’impedenza aumenta con la diminuzione dell’area della sezione trasversale delle piste
• Pareti diritte portano l’impedenza caratteristica della traccia più vicina ai valori teorici calcolati
• La grande vicinanza tra le piste, in particolare in schemi densi e forme trapezoidali piane, causa un significativo crosstalk in cui il segnale presente in una pista ha effetti avversi sul segnale di un’altra pista

Il controllo dell’impedenza nei PCB oggi e nei prossimi 5 anni

Attualmente, la tolleranza nel controllo dell’impedenza è solitamente del ±10% e in ogni progetto sono presenti solo poche piste definite come critiche. L’impedenza viene misurata tramite i punti di controllo dell’impedenza presenti sul pannello, il quale è situato fuori dall’area attiva del PCB. Per misurare l’impedenza viene utilizzata una speciale sonda di prova con cui vengono toccati i punti di controllo sul PCB; nella fase finale, questo test viene condotto su vari pannelli.

Inoltre, il controllo di qualità durante il processo (IPQC, In-Process Quality Control) è una procedura comune in cui viene eseguito un campionamento manuale delle dimensioni e della larghezza di piste e spazi su pannelli di ogni lotto di produzione. La misura richiede da 30 a 60 secondi per ogni punto, e con molti punti di test per ogni pannello risulta decisamente onerosa. Di conseguenza vengono misurati solo alcuni punti su 1-2 pannelli per lotto, e ciò non è sufficiente per la produzione di massa di schede per frequenze molto elevate.

Misurazione manuale della larghezza delle piste

Metrologia 2D di Orbotech: una nuova dimensione per l’AOI

Strumento di metrologia 2D automatizzata con microscopio video per AOI

Per rilevare eventuali difetti critici e di qualità, attualmente vengono ispezionati gli strati interni ed esterni di tutti i pannelli di PCB. Tuttavia, le macchine per AOI non misurano la larghezza e la forma delle piste con la risoluzione e la precisione richieste per il controllo dell’impedenza. Oggi è disponibile un nuovo strumento di metrologia 2D che misura la larghezza e la forma delle piste nell’ambito del flusso di operazione AOI. La metrologia 2D offre le seguenti funzionalità:

• Precisione di ±2µm per piste larghe <100µm
• 1,5 secondi per la misurazione di ogni pista: passaggio al punto di misurazione, acquisizione dell’immagine e tempo di misurazione
• Misurazione del profilo delle piste: larghezza superiore e inferiore delle piste

La metrologia 2D esclusiva di Orbotech utilizza l’illuminazione con raggi UV e le immagini a fluorescenza del materiale laminato per garantire una misurazione estremamente precisa della parte inferiore della pista di rame.

Inoltre, la misura può essere implementata su piste verticali, orizzontali e diagonali, angoli e punti di misura rotondi e rettangolari.

Queste misurazioni vengono quindi registrate e visualizzate automaticamente e il relativo rapporto viene inviato all’ingegnere di processo e al sistema SPC centrale.

Benefici della metrologia 2D

I produttori di PCB che utilizzano il sistema AOI di Orbotech con la metrologia 2D integrata possono usufruire dei seguenti importanti benefici:

• Misurazione automatizzata e uniforme
• Manipolazione ridotta (meno manodopera e danni)
• Misurazione della larghezza superiore e inferiore del conduttore
• Campionamento più veloce, facile e frequente: pochi secondi invece di 10-15 minuti per ogni pannello
• Elevata ripetibilità rispetto alla misurazione manuale
• Risultati e statistiche online: strumenti per una migliore tracciabilità

Rapporti della metrologia 2D come parte dell’Industria 4.0 \ Strumenti per la Fabbrica intelligente

Le misurazioni delle parti superiori e inferiori delle piste raccolte su ogni pannello tramite la metrologia 2D vengono caricate su Orbotech Data Server (ODS), il quale fa parte della soluzione Fabbrica intelligente di Orbotech.

Le misurazioni vengono quindi analizzate ed è possibile estrarre rapporti statistici per soddisfare le esigenze del produttore di PCB.

Riepilogo

Nel prossimo futuro vedremo una rapida crescita del volume di produzione di PCB in grado di supportare componenti elettronici mobili digitali ad alta frequenza, con la progettazione di elettronica veloce e piste di trasmissione a impedenza controllata in modo rigoroso.

I metodi di controllo dell’impedenza comuni come i punti di controllo o la misurazione delle dimensioni delle piste in vari punti di 1 pannello per lotto dovranno essere sostituiti con nuove soluzioni. Queste soluzioni automatizzate misureranno più punti su tutti i pannelli di un lotto, e lo faranno in modo più rapido e preciso che mai.

La metrologia 2D è uno strumento di misurazione automatizzato che può essere integrato nella maggior parte delle soluzioni AOI di Orbotech dotate di capacità di misurazione delle parti superiori e inferiori delle piste con un metodo di misurazione accurato e non dipendente dall’operatore. La misurazione è rapida, completamente automatizzata e supporta una frequenza di campionamento elevata, oltre a strumenti di reporting automatizzati che soddisfano le esigenze di produttori di PCB e OEM.

La metrologia 2D è stata testata e accettata dai principali produttori di PCB e OEM di tutto il mondo ed è disponibile per la maggior parte degli utenti di sistemi AOI di Orbotech.

di Micha Perlman, Senior Marketing Manager, PCB Division, Orbotech