CC BY
66
Consideration is given to the solution problems of "physical" approach of accuracy basing on switching functions. It is shown that in case of nonlinear systems, optimal in accuracy control in its general case consists of n control intervals, which can be determined in sequence according to compressing and broadening ofphase space during functioning of the system.
Key words: analytical construction of controllers optimal in accuracy, number of control intervals.
Prokofuev Mark Evgehievich, technikal director, prokmQQ 7amail. ru, Russia, Tula, LLC «Project-Building company»,
Suhinin Boris Vladimirivich, doctor of technical science, professor, eeoatsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Surkov Victor Vasilievich, doctor of technical science, professor, eeo@tsu.tula.ru Russia, Tula, Tula State University
УДК 006.91:621.37/39
ОЦЕНКА ОТКЛОНЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
О.Е. Компанеец, Л.Г. Варепо
В работе определен коэффициент распределения электропроводящего покрытия в сквозных отверстиях печатной платы в зависимости от режима его нанесения. Представлена качественная оценка распределения меди в отверстии печатной платы. Получена количественная оценка отклонений геометрических размеров металлизированных отверстий печатных плат.
Ключевые слова: печатная плата, металлизация отверстий, распределение электропроводящего покрытия в отверстии.
Печатные платы (1111) составляют конструкторско-технологическую основу электронной аппаратуры, конкурентоспособность которой определяется при сборке качеством ее компонентов. Необходимым условием получения 11 высокого качества является однородность характеристик и геометрических размеров металлизированных отверстий.
Равномерность распределения слоя меди на поверхности проводников 11 и в отверстиях, отсутствие избыточного зарастания металлом входа последних - это основные требования, предъявляемые к процессам металлизации. Решение этой задачи обусловлено разобщенностью процессов жизненного цикла ПП в части обеспечения размерной и геометрической точности.
Согласно работ [1, 2] неравномерный слой медного покрытия в металлизированных отверстиях ПП может привести к отрыву контактных площадок, невозможности сборки конструктивных элементов ПП из-за несоответствия диаметров отверстий и геометрических размеров установленным стандартом.
В виду того, что доля брака при производстве ПП и отказов при их эксплуатации приходится непосредственно на металлизированные отверстия, используемые для установки элементов или для соединения токопро-водящих дорожек в различных слоях, оценка и контроль распределения толщины медного слоя по сечению, полученного при металлизации отверстий ПП, является по-прежнему актуальным.
Постановка задачи. Испытания качества электропроводящего покрытия в отверстиях печатных плат, широко применяемых в современной промышленности, имеют большое значение для повышения надежности многочисленных сложных радиоэлектронных устройств, например, всевозможных информационно-измерительных систем, электронно-вычислительных машин, систем связи и других устройств.
Особое значение имеет металлизация отверстий в печатных платах, все более широко применяемых в современной радиоэлектронике. Здесь электрические соединения между слоями платы выполняются только путем металлизации отверстий. Если обрыв соединения в результате дефекта металлизации отверстия может быть обнаружен в процессе электрических испытаний печатной платы, то уменьшение толщины электропроводящего покрытия ниже допустимой величины и его полное или частичное отслаивание от основания в процессе электрических испытаний платы не обнаруживается.
Известны различные методы контроля металлизации отверстий ПП: микрошлифов, электроконтактного сопротивления, радиационный и др. относящиеся к области разрушающих и неразрушающих испытаний [3-6]. Основными недостатки, которых - трудоемкость, смещение линии реза и деформирование профиля распределения покрытия по стенке отверстия при изготовлении шлифа, необходимость двухстороннего доступа к металлизированным отверстиям, косвенная оценка толщины медного слоя, влияние переходного сопротивления между датчиком и медной трубкой на результаты измерений, сложность контроля покрытия для отверстий диаметром 0,3...0,5 мм. Также при контроле ПП может возникнуть погрешность измерения, связанная с изменением значения удельной электрической проводимости гальванической меди.
В статье решена задача оценки распределения электропроводящего покрытия в отверстии печатной платы, а также отклонений геометрических размеров отверстий методом неразрушающего контроля.
248
Методы исследования. Определение равномерности электропроводящего покрытия в отверстиях печатных плат оценивали по значению коэффициента распределения
Кр = % /
где Ио - средняя толщина покрытия на поверхности печатной платы; И -толщина покрытия на определенной глубине сечения отверстия.
Нанесение электропроводящего покрытия на подготовленную поверхность печатной платы и отверстий осуществляли из стандартного сернокислого электролита. Определение толщины осажденного слоя металла (электропроводящего покрытия) на различных участках поверхности сквозных отверстий малого диаметра осуществляли с помощью специального приспособления [7], которое в гальваническую ванну погружается одновременно с печатной платой.
Рис. 1. Устройство для измерения толщины медного покрытия в металлизированных отверстиях печатной платы: 1,2 -гайки, 3,5,7 -токопроводы; 4 -печатная плата;
6 - крепежный винт
Приращение диаметра отверстия данной пластины в процессе электролиза соответствует удвоенной толщине осажденного металла на определенной глубине сквозного отверстия. Измеряя диаметр отверстия каждой пластины, получаем данные об изменении толщины слоя металла по глубине отверстия.
Оптические исследования поверхности печатных плат проводили на микроскопе ПОЛАМ-312 с встроенной цифровой камерой МС-14 при увеличении 47х. Для определения размерных характеристик использовали стандартную шкалу с шагом деления 0,01 мм и программное обеспечение MC View.
Результаты и обсуждение. Результаты распределения гальванической меди в сквозных отверстиях печатной платы диаметром 0,8 мм приведены в табл. 1.
Таблица 1
Распределение электропроводящего покрытия в отверстии ПП
Плотность тока, А/дм2 Kp на различной глубине сечения, мм
0,0 0,5 1,0
0,5 0,71 0,51 0,35
1,0 1,79 0,61 0,52
2,0 1,87 0,51 0,33
Анализ данных, представленных в табл. 1, показал, что распределение меди по глубине сечения отверстия неравномерно. Толщина покрытия равномерно снижается от периферии к центру отверстия. Коэффициент распределения в центре отверстия находится в пределах 0,5...0,6.
С ростом плотности тока коэффициент распределения на входе отверстия увеличивается от 0.7 до 1.9. Наблюдается картина неравномерного профиля распределения медного покрытия по диаметру отверстия (рис. 2). В случае отверстий малого диаметра существенные отклонения от формы отверстия могут быть вызваны интенсивным зарастанием металлом его входа.
Рис. 2. Профиль распределения меди в отверстии печатной платы
250
Существенно улучшить распределение меди в отверстиях печатной платы позволяет введение в электролит ПАВ в виде добавки ингибитора, характеризующейся заметным выравнивающим действием (табл. 2).
Таблица 2
Влияние концентрации выравнивающей добавки в электролите на распределение электропроводящего покрытия в отверстии ПП
Концентрация выравнивающей 3 3 добавки, х10" г/дм Плотность тока, А/дм Кр на различной глубине сечения, мм
0,0 0,5 1,0
0,0 1,0 1,79 0,61 0,52
6,0 1,0 1,14 1,12 1,09
6,0 2,0 1,15 1,04 0,73
9,0 1,0 1,01 0,85 0,61
9,0 2,0 1,13 1,04 0,94
Результаты оценки отклонений элементов печатного монтажа ПП представлены в табл. 3 и на рис. 3.
Таблица 3
Отклонение линейных размеров элементов печатного монтажа
Условные обозначения элементов печатного монтажа Класс точности ПП - 2
Стандартное значение элемента печатного монтажа Значение элемента печатного монтажа на ПП
мм 0,45 0,3792
8, мм 0,45 0,4515
Примечание: Условные обозначения элементов печатного монтажа: 1 - наименьшая номинальная ширина печатного проводника; 8 - наименьшее номинальное расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка
Рис. 3. Линейные размеры элемента печатного проводника
251
Допустимое местное сужение ширины проводника составляет не более чем 15 %, что удовлетворяет требованиями ГОСТ 53429-2009.
Заключение. Значения предельных отклонений, наименьшие номинальные размеры отверстий 1111, которые имеют место в процессе металлизации элементов конструкции 1111, важны для разработки конструкторской документации и для нормирования систем координат и баз для компонентов ПП с целью дальнейшего повышения точности их позиционирования.
Показана эффективность использования приспособления для оценки распределения электропроводящего покрытия в отверстии печатной плате по всей его глубине. Выделим основные преимущества по сравнению с другими средствами контроля покрытий в металлизированных отверстиях: простота измерения; применение данного устройства позволяет осуществлять неразрушающий контроль отклонений толщины покрытия по всей глубине отверстия в различные временные периоды технологического процесса.
Практическая составляющая исследований заключаются в количественной и качественной оценке отклонений геометрических размеров элементов 11 . Визуализация распределения токопроводящего покрытия в отверстии 11 позволяет интерпретировать характер этого распределения. Прослеживается тенденция снижения неравномерности распределения то-копроводящего покрытия по его глубине при увеличении содержания выравнивающей добавки. Учет превышения предельных отклонений геометрических размеров позволяет повысить размерную и геометрическую ее точность на различных стадиях технологического процесса.
Список литературы
1. Брусницына Л.А., Степановских Е.И. Технология изготовления печатных плат, 2015. 200 с.
2. ГОСТ 53429-2009. Платы печатные. Основные параметры конструкции; введ. 2009-27-11. М.: Изд-во Стандартинформ, 2010. 11 с.
3. Neumaier P. Kupferschichtdicken an Durchkontaktierungen von Leiterplatten Messen // Leiterplattentechnik, 1992. P. 58-61.
4. Ras M. Abo, May D., Schacht R., Wunderle B., Michel B. IR-Thermographie zur Qualitätssicherung von elektrischen Durchkontaktierungen in Leiterplatten // Proc. ITG Fachtagung Zuverlässigkeit und Entwurf, 2010. P. 55-56.
5. Патент 2040788 РФ. Вихревой датчик для неразрушающего контроля металлизации отверстий и трубок и способ его изготовления / Ю.М. Улитин, Л.Е. Горская. Опубл. 25.07.1995. Бюл. № 24.
252
6. Патент 2159522 РФ. Способ контроля качества металлизации отверстий печатных плат / Ю.А. Плотников, М.Ю. Поляхов, Л.А Чернов. Опубл. 20.11.2000. Бюл. № 34.
7. Семина Е.В., Мастрюкова И.Г., Варепо Л.Г., Чупатикова Т.М. Приспособление для контроля толщины осажденного слоя металла в отверстиях печатных плат // Техника средств связи. Серия ТПО. 1990. Т. 1. С. 89-90.
Компанеец Олеся Евгеньевна., студент, ud199@,mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Варепо Лариса Григорьевна, д-р техн. наук, проф., larisavarepo@yandex.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
MEASUREMENT DEVIATION GEOMETRICAL SIZES ELEMENTS OF PRINTED CIRCUIT BOARDS
O.E. Kompaneets, L.G. Varepo
In the distribution coefficient determined electrically conductive ment a covering through holes in the printed circuit board, depending on its mode of application. A qualitative assessment of the distribution of copper in the hole of the PCB. Obtain quantitative estimates of the geometric dimensions of the deviations of the plating bath-holes of printed circuit boards.
Key words: PCB, hole plating, distribution electrically conductive coating in the hole.
Kompaneets Olesya Evgenievna, student, ud199@mail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Varepo Larisa Grigorievna, doctor of technical science, professor, larisavare-po@yandex.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
