Automatische 2D Messtechnik zur Impedanzkontrolle

Genaue AOI-integrierte Messung von Leiterbahnober- und -unterkante

Beschleunigung des Datenaustauschs

Es ist offensichtlich, dass die 4G Technologie nicht in der Lage ist, mit dem digitalen Datenvolumen und den Anforderungen an die Geschwindigkeit des Datenaustauschs der nächsten zehn Jahre Schritt zu halten. Daher ist die Entwicklung der 5G Technologie, von der vorausgesagt wird, dass sie mindestens dreimal mehr Geräte verbinden und zehnmal größere Datenvolumen bewältigen kann, in vollem Gange.

Ebenso ist offensichtlich, dass Leiterplatten bei der Entwicklung von neuen Methoden und Werkzeugen zur Unterstützung der Beschleunigung des elektronischen Datenaustauschs eine Hauptrolle spielen. Mit dem Übergang zur Übertragung und Verarbeitung höherer Datenmengen geht die wachsende Notwendigkeit zu neuen Messwerkzeugen einher, die die Geschwindigkeit und Abmessungen von Leiterbahnen effizient messen können.

Leiterbahnen in der Hochfrequenz-Elektronik

Bei niedrigen Frequenzen ist die Länge der Verbindungen zwischen den elektronischen Komponenten nicht problematisch, weil in diesem Fall angenommen wird, dass die Spannung an allen Punkten des Leiterzuges zu jeder gegebenen Zeit konstant ist.  In Geräten, die bei hohen Frequenzen arbeiten, ist jedoch die Signalzykluszeit mit der Signallaufzeit entlang der Leiterbahn vergleichbar. In diesem Fall müssen die Leiterbahnen entsprechend ausgelegt und deren Geometrie kontrolliert werden.  

Elektronikanwendungen erfordern eine große Bandbreite

Die folgenden Anwendungen erfordern hohe Frequenzen und die Beachtung von Impedanzkontrolle beim Designprozess:

  • Antennen von Mobilfunk-Basisstationen und  Leistungsverstärker
  • Schnelle Übertragung serieller Daten (z.B. PCI Express, InfiniBand)
  • Verbindung zwischen schnellem Speicher und Controller (z.B. DDR3)
  • Radar und Sensoren im Automobil
  • Echtzeit-Kontrollsysteme in der Luftfahrt und militärischen Anwendungen

Leiterbahnabmessungen und Übertragungsgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit und Dämpfung der Signalleitung hängt von der Induktivität und Kapazität der Leiterbahn ab, die von den Abmessungen, der Schichtdicke des Dielektrikums und der Dielektrizitätskonstante (εr) bestimmt wird.

Frontlines Lösung zur Impedanzkontrolle als Teil des  InPlan Engineering Systems

Das Design von Hochfrequenz-Leiterplatten erfordert gezielte CAD Simulationswerkzeuge, um die erforderliche Leiterbahnstruktur  und Materialien zu bestimmen. Während der Produktion führen Ätzprozesse, Verpressdruck, Galvano- und andere Prozesse jedoch zu Änderungen von Leiterbahnbreite und –profil, was umgekehrt die Änderung von Dämpfung und Impedanz bedingt. Deshalb müssen kritische Leiterbahnen während des Produktionsprozesses kontrolliert werden, um zu gewährleisten, dass die Abmessungen innerhalb der vorgegebenen Toleranzen gehalten werden.

Form und Impedanz von Kupferleitungen bei hohen Frequenzen

Verschiedene Faktoren beeinflussen die elektrischen Eigenschaften einer Leiterbahn

Genauigkeit und Stabilität der Leiterbahnbreite

Die Impedanzcharakteristik wird durch die Breite und Form der Leiterbahn beeinflusst. Eine Verringerung der Breite führt zu einer höheren Induktivität und geringerer Kapazität, was die Impedanz der Leiterbahn pro Längeneinheit signifikant erhöht. Daher ist die Messung und Kontrolle der Leiterbahnbreite eine kritische Größe, wenn eine hohe Impedanz-Genauigkeit erforderlich ist.

Profil der Kupferleitung und Signalintegrität

Bei sehr hohen Frequenzen werden Signalverluste und Zeitverzögerungen von der Induktivität und Kapazität der Leiterbahn beeinflusst, die wiederum von ihren Abmessungen abhängig sind.

In Leiterplatten mit Fineline-Strukturen ändern sich die Abmessungen des Leiterbahnquerschnitts infolge der Ätz- und Galvanoprozesse wie auch durch Unterschiede in der Kupferschichtdicke über das gesamte Panel.

Für Hochfrequenz-Anwendungen ist die Kontrolle und Aufrechterhaltung der Querschnittsform aus verschiedenen Gründen sehr wichtig:

  • Die Impedanz nimmt zu, wenn die Querschnittsfläche der Leiterbahn abnimmt
  • Gerade Wände führen zu einer Impedanzcharakteristik der Leiterbahn, die näher bei den theoretisch berechneten Werten liegt
  • Die enge Lage der Leiterbahnen zueinander verursacht, insbesondere bei dichten und flachen trapezförmigen Strukturen, eine signifikante Wechselwirkung, wobei das Signal in einer Leiterbahn von dem in der anderen unkontrollierbar beeinflusst wird.

Impedanzkontrolle von Leiterplatten heute und in den nächsten fünf Jahren

Derzeit beträgt die Toleranz der Impedanzkontrolle typischerweise  ±10% und nur einige Leiterbahnen pro Schaltung werden als kritisch betrachtet. Die Impedanz wird mithilfe von Impedanzkontroll-Koupons gemessen, die sich auf dem Panel außerhalb der aktiven Leiterplattenstruktur befinden. Die Impedanz wird über eine spezielle elektrische Impedanz-Messspitze gemessen, die auf die Kouponpads aufgesetzt wird. Der Test wird an einigen Panels am Ende des Produktionsprozesses durchgeführt.

Des Weiteren ist die Messung der Leiterbahnbreite und –abstände an einer Stichprobe aus jedem Produktionslos innerhalb der Produktion eine übliche Vorgehensweise. Die Messung dauert 30-60 Sekunden pro Messpunkt und ist bei vielen Messpunkten pro Panel sehr kostspielig. Daher werden nur an einigen Punkten an 1 bis 2 Panelen pro Los gemessen, was für die Massenproduktion von Hochfrequenz-Leiterplatten ungenügend ist.  

Manuelle Messung der Leiterbahnbreite

Orbotechs 2D Messtechnik – eine neue Dimension der AOI

Automatisches 2D Messwerkzeug mit dem AOI Bildschirmmikroskop

Heute werden alle Leiterplatten – Innen- und Außenlagen – auf kritische und Qualitätsfehler hin geprüft. Die AOI Geräte messen jedoch nicht die Breite und Form der Leiterbahnen mit der für die Impedanzkontrolle erforderlichen Auflösung  und Genauigkeit. Ein neues 2D Messwerkzeug kann jetzt eingesetzt werden, das Breite und Form der Leiterbahnen innerhalb der AOI Prüfung misst. Die 2D Messtechnik bietet folgende Möglichkeiten:

  • Genauigkeit von ±2µm für Leiterbahnbreiten <100µm
  • 1.5 Sekunden pro Messung – Anfahren des Messpunktes, Bilderfassung und Messzeit
  • Messung des Leiterbahnprofils  – Leiterbahnbreite an Unter- und Oberkante

Orbotechs einzigartige 2D Messtechnik  verwendet UV Beleuchtung und Fluoreszenzbilder des Laminatmaterials, die eine sehr genaue Messung der Basis der Kupferleiters gewährleisten.

Des Weiteren kann die Messung an vertikalen, horizontalen und diagonalen Leitern, an Ecken und kreisförmigen sowie rechtwinkligen Pads durchgeführt werden.

Diese Messungen werden dann automatisch aufgezeichnet und dargestellt und ein Bericht an den Prozessingenieur und das zentrale SPC System gesendet.

Vorteile der 2D Messtechnik

Leiterplattenhersteller, die Orbotechs AOI mit integrierter 2D Messtechnik anwenden, profitieren von folgenden Hauptvorteilen:

  • Automatische und gleichmäßige Messung
  • Reduziertes Handling (weniger Aufwand und Schäden)
  • Messung der Leiterbahnbreite an der Ober- und Unterkante
  • Schnelleres, leichteres und häufigeres Messen – Sekunden/Panel statt 10-15 Minuten/Panel
  • Bessere Reproduzierbarkeit im Vergleich zur manuellen Messung
  • Ergebnisse und Statistik online – bessere Rückverfolgbarkeit

2D Messtechnik-Auswertung als Teil von Industrie 4.0/Smart Factory Werkzeuge

Die durch die 2D Messtechnik erhaltenen Messwerte für die Ober- und Unterkante des Leiterbahnquerschnitts auf jedem Panel werden in den Orbotech Data Server (ODS) geladen, der ein Teil der Orbotech Smart Factory Lösungist.

Die Messergebnisse werden dann analysiert und es können entsprechend der Erfordernisse des Leiterplattenherstellers statistische Berichte daraus erstellt werden.

Zusammenfassung

In naher Zukunft wird es einen Anstieg des Produktionsvolumens von Leiterplatten für die digitale Hochfrequenz-Elektronik geben, die sich durch schnelle Übertragungsraten und enge impedanzkontrollierte Leiterbahnen auszeichnen.

Die üblichen Verfahren zur Impedanzkontrolle, wie z.B. Kupons oder die Prüfung der Leiterbahnabmessungen an einigen Stellen eines Panels pro Auftrag werden durch neue Lösungen ersetzt werden müssen. Diese neuen automatischen Lösungen messen schneller und genauer als bisher an mehreren Stellen auf allen Panels eines Auftrags.

Die 2D Messtechnik ist ein automatisches Messwerkzeug, das in die meisten AOI Lösungen von Orbotech integriert werden kann. Es gestattet die Messung der Ober- und Unterkante des Leiterbahnquerschnitts durch ein genaues, vom Bediener unabhängiges Messverfahren. Die Messung erfolgt schnell, vollautomatisch und unterstützt eine hohe Abtastfrequenz sowie automatische Berichtswerkzeuge und erfüllt damit die Bedürfnisse der Leiterplattenproduzenten und der OEMs

Die 2D Messtechnik ist bei führenden Leiterplattenherstellern erfolgreich getestet worden und steht den meisten Anwendern von Orbotech AOIs zur Verfügung.

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

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