Методика контроля качества металлизированных отверстий печатных плат на микрошлифах Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

8. Гриднев В.Н., Сергеева М.Д., Чебова А.И. Линейные модели распознавания тепловизионных изображений неисправностей электронных ячеек // Контроль. Диагностика. 2014. № 8. С. 57-66.

9. Панфилова С.П., Власов А.И., Гриднев В.Н., Червинский А.С. Бесконтактный тепловой контроль электронно-вычислительных средств // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. № 6 (72). С. 42-49.

10. Панфилова С.П., Власов А.И., Гриднев В.Н., Червинский А.С. Бесконтактный тепловой контроль изделий электронной техники // Производство электроники. 2007. № 3. С. 25-30.

11. Арабов Д.И., Власов А.И., Гриднев В.Н., Григорьев П.В. Концепция цифрового инструментального производства (FAB LAB) для прототипирования изделий электронной техники // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 5-3 (47). С. 23-34.

12. Комаров В.В. Сравнительный анализ двумерных и трехмерных численных моделей камер СВЧ-нагрева // Электромагнитные волны и электронные системы. 2006. Т. 11. № 7. С. 10-15.

13. Власов А.И., Карпунин А.А., Ганев Ю.М. Системный подход к проектированию при каскадной и итеративной модели жизненного цикла // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 015. Т. 1. С. 96-100.

14. Vlasov A.I., Yudin A.V., Shakhnov V.A., Usov K.A., Salmina M.A. Design methods of teaching the development of internet of things components with considering predictive maintenance on the basis of mechatronic devices // International Journal of Applied Engineering Research. 2017. Т. 12. № 20. С. 9390-9396.

15. Камышная Э.Н., Маркелов В.В., Соловьев В.А. Программное обеспечение конструкторских расчетов РЭС и ЭВС. Том 4. Расчет надежности. - Москва, Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана. 2000. 32 с.

16. Огурцов К.Н., Дунаева Т.Ю. Повышение энергоэффективности СВЧ электротермических установок с камерами лучевого типа путем управления источниками внутреннего тепла в объекте // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2015. Т. 4. № 1 (81). С. 192-196.

УДК: 621.3

Макушина Н. В., Сергеева М. Д.

Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия, МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ОТВЕРСТИЙ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ НА МИКРОШЛИФАХ

В работе рассмотрена методика дефектоскопии металлизированных отверстий печатных плат по микрошлифам. Приведены рекомендации по организации операций дефектоскопии печатных плат по микрошлифам. Даны рекомендации по внедрению автоматизированной обработки результатов дефектоскопии печатных плат. Ключевые слова:

ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ, ДЕФЕКТОСКОПИЯ, МИКРОШЛИФЫ, МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫЕ ОТВЕРСТИЯ, АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

Введение. Вопросы обеспечения качества металлизации монтажных отверстий (МО) печатных плат (ПП) имеют важное значение при их изготовлении. Традиционно решение задачи контроля качественных характеристик ПП осуществляется методом изготовления микрошлифов с последующей оценкой параметров слоев металлизации и сравнения с эталоном. Как правило, контроль производится прямым визуальным методом, что определяет высокую вероятность ошибок такого контроля и его высокую длительность. Исполнитель, как правило, не может выполнить глубокий анализ (это не технологично - операции должны выполняться быстро и с высоким уровнем повторяемости результатов). Он не имеет возможности выявлять причины возникновения дефектов, проводить необходимые для этого обобщения и анализ, классифицируя только субъективно по принципу «брак» или «не брак» [1-3].

Внедрение средств автоматизации на этапах визуальной инспекции печатных плат по микрошлифам позволяет получить ряд преимуществ [4, 5]:

сокращение времени операций визуального контроля;

снижение вероятности появления ошибки контроля, возможно (по необходимости) дополнительно, в режиме реального времени, контролировать правильность принятия решения с автоматизированного рабочего места;

возможность достоверно оценить вероятную причину появления брака и выработки рекомендаций по методам его снижения (устранении) с использованием возможностей экспертной подсистемы (она аккумулирует сведения о структуре техпроцесса, его параметрах и режимах и т.п.);

широкие возможности по сбору и обработке статистическую информации принятия решений по выбору и корректировке режимов технологических процессов (ТП).

Обработка изображений является одной из ключевых задач в общей парадигме цифрового обеспечения качества. Многие задачи обработки изображений требуют высокой производительности. Проблемы распознавания изображений (фильтрация и восстановление изображений, сегментация изображений, скелетонизация изображений) характерны как для классической задачи распознавания фигур заданной формы, так и для задачи распознавания

линий и углов на изображении, распознавания края изображения [6 - 8]. Для решения задач обработки изображение широкое распространение получили нейронные сети (НС). В общем случае искусственная НС не является универсальной по своей структуре. Результат нейросетевой дефектоскопии является хорошим инструментом для увеличения выхода годной продукции, особенно дефектоскопии сложных многослойных плат, примеры которой приведены в [4].

Наиболее распространенными дефектами МО ПП являются: бочкообразная форма отверстий, наросты меди, дефект типа "гвоздь", разрывы металлизации, дефекты типа "слезы" и т.п. Систематизируем характер данных дефектов и причины их возникновения.

1 Методика подготовки микрошлифов

Для наибольшей достоверности оценки качества металлизации отверстий ПП изготавливаются микрошлифы [1]. Чтобы изготовление микрошлифов не приводило к разрушению плат шлифы выполняют на специальных тестовых элементах, расположенных на технологическом поле платы. Контролируемая плата направляется в металлографическую лабораторию. С помощью универсальных ножниц вырезают образец 15х30 мм в тестовой зоне. Приготовляется состав на основе самотвердеющей пасты 5г (АСТ-Т, ТУ 162-17-69) или технического бутакрила (МРТУ 64-29-69) путем их смешивания с 15-2 0 мл жидкости АСТ-Т. Получившимся составом заполняют отверстия, предназначенные для контроля, для чего неоднократно погружают образец в состав. После покрытия образца самотвердеющим составом, его устанавливают между двумя пластинами оргстекла. Далее пакет сжимают с небольшим усилием, потом сушат в вытяжном шкафу в течение двух часов. Затем образец шлифуется абразивным кругом до контролируемых отверстий. Они вскрываются шлифованием на крупнозернистой абразивной шкурке (К310). Потом ведется шлифовка до середины отверстия с постепенным уменьшением зернистости шкурки (М40, М28) и со сменой направления шлифования. По окончании шлифования образец полируется на сукне суспензией на основе оксидов хрома и воды (2 г на 1 л). Полировка происходит в течение 2-3 минут. Далее образец промывается

водой, сушится фильтрованной бумагой, протирается спиртом и снова сушится. В конце всех этих операций образец можно исследовать под микроскопом.

2 Систематизация видов дефектов монтажных и переходных отверстий

Качество отверстий ПП зависит от режимов сверления (величина подачи, скорость резания, скорость извлечения сверла из отверстия), геометрии и качества режущих кромок сверла (характеристики основных видов отверстий: диаметр от 0,2 до 1,5 мм, изготовление: сверление на станках с ЧПУ специальными твердосплавными сверлами) [9, 10]. Его контролируют визуально с помощью микроскопов (заусенцы на входе и выходе сверла, смещение центров отверстий относительно координатной сетки), визуально на микрошлифах (в разрезе) с помощью микроскопов (заусенцы, шероховатость стенок, эпоксидные пятна на стенках, развальцовка торцев контактных площадок внутренних слоев МПП, качество отверстий после металлизации). Микрошлиф - это поперечный разрез ПП для проведения микроскопического исследования структуры внутренних слоев ПП. Контроль диаметров отверстий производят только выборочно калибрами-пробками или на микрошлифах. На рисунке 1 представлено изображение микрошлифа ПП с отверстием правильной формы со слоем меди хорошего качества: плотный слой, равномерная толщина по всей стенке, отсутствие наростов, разрывов.

Рассмотрим хорошо распознаваемые дефекты металлизированных отверстий.

Рисунок 1 - Вид микрошлифа ПП с качественным отверстием

Заусенцы на входе и выходе отверстия - причины возникновения (рисунок 1, hз не более 80 мкм) [1]:

- тупое сверло с недопустимым износом режущих кромок;

- сколы на режущих кромках сверла;

- неудаляемая стружка внутри пакета обрабатываемых заготовок ПП;

- мягкий подкладной материал или недостаточное усилие прижима пакета;

- неоптимальное соотношение скорости вращения и подачи сверла.

Рисунок 2 - Заусенцы на кромках отверстий ПП

Рисунок 3 - Наросты меди на стенках отверстий ПП

Шероховатость стенок отверстий - причины возникновения (рисунок 4, Rz не более 4 0 мкм) разогрев и оплавление эпоксидной смолы стеклотекстолита с образованием на стенках эпоксидных пятен из-за несоблюдения режимов, работы тупым сверлом, недопустимой толщины пакета заготовок, плохого отвода стружки.

Дефекты металлизации стенок отверстия - варианты возникновения (рисунок 5, толщина меди не менее 25 мкм, сплава олово-свинец - 10-15 мкм):

Неравномерное распределение слоя металлизации по глубине отверстия (у кромок hм(нар) - 60-7 0% от Ьм, на середине глубины отверстия hм(вн) - 30% от Ьм) (рисунок 5). Причины возникновения:

- плохая рассеивающая способность электролита;

- нарушение режимов осаждения (времени, плотности тока, интенсивности качания заготовок, отклонения в составе электролита);

- наличие неудаленных заусенцев на кромках отверстия.

Нарушение контакта слоя металлизации с торцами внутренних контактных площадок (КП) отверстий МПП (рисунок 5, 6). Причины возникновения:

Рисунок 4 - Шероховатость стенок отверстий

Рисунок 5 - Дефекты металлизации стенок отверстия (неравномерность слоя металлизации, нарушение контакта)

Рисунок 6 - Дефекты металлизации стенок отверстия (нарушение контакта)

- разогрев и оплавление эпоксидной смолы из-за несоблюдения режимов сверления и наволакивание смолы на торцы внутренних КП;

- нарушение режимов и условий химического и гальванического осаждения меди.

Неметализированные участки или наросты в отверстиях. Причины возникновения:

- нарушение режимов сверления;

- плохая очистка отверстий после сверления (остатки реагентов, пыли, наличие заусенцев);

- нарушение режимов активации диэлектрика в отверстиях (состав раствора, малое содержание палладия, недостаточное время активации).

На рисунке 7 хорошо видна неправильная форма отверстия (бочкообразная), которая образовалась за счет слоя металлизации разной толщины на стенках отверстия. Также можно выделить разрывы металлизации, разрастание слоя меди на кромках отверстия. Рыхлый стой возникает при неправильно подобранных технологических режимах осаждения меди при большой плотности тока.

Рисунок 7 - Неправильная форма отверстий (бочкообразность), разрывы металлизации

Рисунок 8 - Рыхлый слой

Смещение центров отверстий относительно узлов координатной сетки и центров контактных площадок (КП) - положение отверстий относительно центров КП проводящего рисунка регламентируется обязательным наличием гарантированного пояска Ь (рисунок 9, 10), величина которого должна соответствовать выбранному классу точности ПП [1]. Смещение центров происходит из-за погрешностей при сверлении отверстий и при нанесении рисунка на заготовку.

Причины возникновения:

При сверлении:

- погрешности установки (базирования) заготовки на столе сверлильного станка;

- погрешности настройки станка;

- точность станка.

При нанесении рисунка:

- точность изготовления фотошаблона;

- погрешности взаимной ориентации шаблона и заготовки ПП;

- погрешности при экспонировании рисунка (дифракция).

Рисунок 11 иллюстрирует, что смещение центров в пределах одной заготовки имеет однонаправленный характер в случае сверления на станке с ЧПУ за один установ без перебазирования заготовки.

Протравы на проводниках - характерные виды протравов: сквозной протрав (рисунок 11а), краевой протрав (рисунок 11б), пора при переходе проводника к КП.

Причины возникновения:

- наличие участков проводящего рисунка, не покрытых гальванически осажденным металлорези-стом (олово-свинец);

- повреждение металлорезиста при межоперационной транспортировке и в процессе травления меди с пробельных мест.

Рисунок 9 - Смещение центров отверстий

Рисунок 10 - Смещение центров отверстий

Неровности края проводящего рисунка - причины возникновения:

- велико время травления меди;

- остановка конвейера в оборудовании травления;

а)

- неровности края осажденного металлорезиста. Подтравливание проводящего рисунка - причины

возникновения (рисунок 12):

- велико время травления;

- остановка конвейера.

нмм^ия

РИ1И

ш I

б)

Рисунок 11 - Протравы на проводниках

а) б)

Рисунок 12 - Подтравливание проводящего рисунка

Проанализированы наиболее часто встречаемые дефекты переходных и монтажных отверстий и проводящего рисунка печатных плат, которые представляют собой сложные графические образы, несмотря на сложность возможно формализовать отдельные классификационные признаки, позволяющие

сгруппировать их видам дефектов. Сложность решения задачи распознавания определяется тем, что указанные дефекты могут встречаться как индивидуально, так и в совокупности, что увеличивает вероятность ложного принятия решения по классификации конкретного дефекта.

Далее они подвергаются визуальной инспекции. Полученные статистические данные по видам дефектов ПП картируются (т.е заносятся в специализированные дефектные карты) и далее обрабатываются одноступенчатым, двухступенчатым, многоступенчатым или последовательным методами контроля качества [11-15].

Заключение. Изготовление шлифов с травлением дает информацию о состоянии меди, которая определяет качество металлизации сквозных отверстий.

Кроме представления об общем качестве шлифы дают информацию о толщине слоев и возможных проблемах, возникающие при сверлении; растрескивании; кавернах; размазывании многослойного материала печатной платы [16, 17]. Шлифы, демонстрирующие мелкозернистую структуру осажденной меди и равнозначное травление по всем осям, свидетельствуют о высоком качестве выполнения металлизации стенок отверстий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гриднев В.Н., Гриднева Г.Н. Проектирование коммутационных структур электронных средств -Москва, Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана. 2014. Том 2. Сер. «Конструирование и технология электронных средств». 34 4 с.

2. Алексеев В.Г., Гриднев В.Н., Нестеров Ю.И., Филин Г.В. Технология ЭВА, оборудование и автоматизация - Москва, Издательство "Высшая Школа". 1984. 392 с.

3. Гриднев В.Н., Яншин А.А. Технология элементов ЭВА - Москва, Издательство "Высшая Школа". 1976. 288 с.

4. Власов А.И., Гриднев В.Н., Константинов П., Юдин А.В. Нейросетевые методы дефектоскопии печатных плат // Электронные компоненты. 2004. №8. С. 148-155.

5. Арабов Д.И., Власов А.И., Гриднев В.Н., Григорьев П.В. Концепция цифрового инструментального производства (FAB LAB) для прототипирования изделий электронной техники // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 5-3 (47). С. 23-34.

6. Балухто А.Н., Булаев В.И., Бурый Е.В., Власов А.И. и др. Нейрокомпьютеры в системах обработки изображений - М.: Радиотехника. 2003. Том 7. Сер. Библиотека журнала "Нейрокомпьютеры: разработка, применение". 192 с.

7. Панфилова С.П., Власов А.И., Гриднев В.Н., Червинский А.С. Бесконтактный тепловой контроль электронно-вычислительных средств // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. № 6 (72). С. 42-49.

8. Гриднев В.Н., Сергеева М.Д., Чебова А.И. Линейные модели распознавания тепловизионных изображений неисправностей электронных ячеек // Контроль. Диагностика. 2014. № 8. С. 57-66.

9. Гриднев В.Н., Миронова Ж.А., Шахнов В.А. Обеспечение качества компоновки монтажных контактных площадок высокоплотной коммутационной платы // Надежность и качество сложных систем. 2014. № 4 (8). С. 19-25.

10. Арабов Д.И., Верясова А.Ю., Гриднев В.Н. Комплексное макетирование узлов вычислительной техники с использованием инфраструктуры цифрового производства (FAB-LAB) в условиях сквозного обеспечения качества // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. № 1. С. 189192.

11. Власов А.И., Ганев Ю.М., Карпунин А.А. Картирование потока создания ценностей в концепции "Бережливого производства" // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2016. № 2 (162). С. 23-27.

12. Маркелов В.В., Власов А.И., Зотьева Д.Е. Автоматизация одноступенчатого контроля качества в среде МА^АВ // Надежность и качество сложных систем. 2015. № 2 (10). С. 34-41.

13. Маркелов В.В., Власов А.И., Зотьева Д.Е., Сергеева Н.А. Автоматизация двухступенчатого контроля качества в среде MATHLAB // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. № 1. С. 38-40.

14. Маркелов В.В., Власов А.И., Зотьева Д.Е. Автоматизация многоступенчатого контроля качества в среде МА^АВ // Надежность и качество сложных систем. 2015. № 1 (9). С. 58-62.

15. Маркелов В.В., Власов А.И., Зотьева Д.Е., Сергеева Н.А. Автоматизация последовательного контроля качества в среде MATHLAB // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. № 1. С. 282-285.

16. Иван Анчевский, Аркадий Медведев Металлографический анализ многослойных печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2005. N 2. С.35-37.

17. Жизняков А.Л., Садыков С.С. Автоматическая сегментация металлографических снимков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. I. С. 109-113.

УДК 536.2 Рыбаков И.М.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПРОВОДНИКОВ В КАЧЕСТВЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

В современной ракетно-космической технике (РКТ) не теряет актуальности проблема улучшения массогабаритных характеристик радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а условия ее эксплуатации на сегодняшних РКТ характеризуются значительными механическими перегрузками и воздействиями изменения температуры окружающей среды в широких пределах. При этом реализация методов защиты РЭА от тепловых воздействий должна отвечать требованию минимизации масс, обеспечивающему возможность сокращения энергетических потерь на выведение космического аппарата на орбиту

Ключевые слова:

ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ, ТЕМПЕРАТУРНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ

В условиях необходимости постоянного повышения конкурентоспособности РЭА производство её неотъемлемой части - печатных плат (ПП) - является динамично развивающейся областью науки и техники. При этом необходимы постоянный контроль, управление температурным режимом РЭА, получение достоверной информации о температурных режимах (температурах перегрева) радиоэлектронных компонентов. Вследствие чего возникает задача снижения температурной погрешности, для выявления критически нестабильных элементов РЭА. В большинстве случаев для охлаждения теплонагру-женных компонентов РЭА применяют теплоотводы в

виде радиаторов, которые имеют значительные мас-согабаритные размеры, поэтому решение проблемы снижения массогабаритных характеристик путем замены радиатора медным слоем ПП, занимающим аналогичную, а в отдельных случаях меньшую площадь печатного узла (ПУ), является важной задачей.

Рассмотрим иерархию тепловых моделей печатных узлов. На первом уровне такой иерархии располагаются усредненные тепловые модели, в которых печатная плата представляется однородной, а проводящий слой не моделируется. Далее следует слоистая тепловая модель, в которой печатная плата представляется как слои диэлектрика и проводящие