Способ контроля качества металлизации отверстий печатных плат

 

Использование: в приборостроении, радиотехнике, радиотехнической промышленности, производстве средств вычислительной техники, для неразрушающих испытаний качества. Технический результат заключается в контроле качества металлизированных отверстий печатных плат диаметром до 0,3 мм до операции травления печатной платы. Способ контроля заключается в пропускании по цилиндру металлизации импульса теплового возбуждения определенной длительности. Импульс возбуждается с помощью верхнего электрода, который контактирует с верхней кромкой металлизации и принимается нижним электродом. Нижний электрод соединен с тепловым приемником, фиксирующим изменение температуры. По параметрам сигнала теплового приемника с помощью градуировочных кривых определяется качество металлизации. Способ может быть использован для контроля печатных плат до травления рисунка. Это позволяет уменьшить потери, связанные с обработкой некачественной платы, и измерять одновременно толщину металлизации и ее отслоение от основания. Результат измерения не зависит от вариаций проводимости металлизации. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. .

Настоящее изобретение относится к области неразрушающих испытаний качества изделий и, в частности, к способам неразрушающих испытаний отверстий в изделиях и труб.

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, устройств связи. Печатные платы в настоящее время представляют собой почти единственный способ электрического соединения между элементами электронных устройств, например между конденсаторами, резисторами, транзисторами, микросхемами.

Особое значение имеет металлизация отверстий в многослойных 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 в процессе электрических испытаний платы не обнаруживается вообще. Также не обнаруживаются в процессе электрических испытаний полное или частичное отслоение металлизации от основания. Таким образом, появляются скрытые дефекты, которые могут проявиться позднее в процессе эксплуатации ответственного и дорогостоящего изделия, в состав которого входит печатная плата.

Обычно отверстия печатных плат имеют диаметр примерно от 0,3 до 2 мм при толщине платы от 0,3 до 3 мм. Толщина металлизации лежит в пределах 15-50 мкм. Следовательно, размеры объекта контроля трубки металлизации таковы: длина 0,3 - 3 мм, наружный диаметр 0,3 - 2 мм, толщина стенок 15-50 мкм. Материалом металлизации служит обычно медь, которая наносится гальваническим способом.

Миниатюрность объекта усложняет задачу его испытаний, особенно, если он имеет сложную форму. К трубке покрытия в торцевых ее частях примыкают контактные площадки, служащие для монтажа элементов. Размеры этих контактных площадок могут изменяться в широких пределах. В многослойных печатных платах к трубке покрытия примыкают также и плоские проводники отдельных слоев, усложняющие ее конфигурацию.

Для испытания качества металлизации отверстий печатных плат применяются различные методы: оптический, электроконтактный, радиационный, тепловой, вихревых токов и т.д. Недостаток оптического контроля состоит в его субъективности и низкой производительности. Этот метод позволяет оценить качество поверхности покрытия, но не позволяет измерять толщину покрытия. Вихретоковые датчики, см., например "Неразрушающий контроль в 5 кн. Кн. 3 Электромагнитный контроль, М" Высш. Шк." 1992, стр.238-240", являются бесконтактными, они вводятся в отверстие, позволяют измерять толщину металлизации до травления печатной платы, но могут быть использованы для отверстий с диметром 0,6 мм и более. Изготовить вихретоковый датчик для отверстий диаметром 0,3-0,5 мм не представляется возможным.

Радиационный метод требует тщательной тарировки прибора, имеет низкую производительность, время измерения составляет около 1 мин на одно отверстие. Применение радиационного метода требует, кроме того, соблюдения мер радиационной защиты, что сдерживает его применение в производстве.

Тепловой инфракрасный метод в традиционной реализации требует применения сложной и дорогостоящей аппаратуры и применяется для целей выборочной дефектоскопии покрытия, отверстий, т. е. обнаружения несплошностей, непокрытых пятен, включений и т.д.

Недостаток электроконтактного, см., например "Неразрушающий контроль в 5 кн. Кн. 3 Электромагнитный контроль, М., Высш. Шк., 1992, стр. 42-46", метода состоит в невозможности испытания качества металлизации отверстий до процесса травления печатных плат. Это связано с тем, что до травления отверстия электрически соединены между собой слоем фольги на поверхностях платы, и электрическое сопротивление между контактами датчика зависит от числа и параметров всех металлизированных отверстий платы.

Известен способ контроля качества металлизации путем возбуждения в металлизированном отверстии колебаний СВЧ диапазона и по изменению параметров этих колебаний судят о дефектах металлизированного отверстия, а. с. N 1547085, авторы В. П. Романов, В.Б. Матвеев, "Способ контроля качества металлизации отверстий печатных плат и устройство для его осуществления", Б.И. N 8, 1990 г. Этот способ трудно реализовать для отверстий малого диаметра (0,3 - 0,5 мм).

Наиболее близким к предлагаемому является "Способ контроля качества металлизации отверстий печатных плат" авторов Е.П.Куликова, Э.А.Сахно, Б.Т.Нестеренко, а. с. N 1647467, Б.И. N 17, 1991г., предусматривающий пропускание через металлизированное отверстие электрической энергии испытательного тока с помощью верхнего и нижнего электродов и формирование сигнала, пропорционального второй производной падения напряжения на контролируемом участке металлизации, при этом признаком некачественной металлизации является отличие второй производной от нуля. Величина испытательного тока зависит от электро- и теплофизических, и геометрических характеристик контролируемого отверстия и платы, а также от допустимого перегрева материала печатной платы.

Основным недостатком этого способа является невозможность контроля отверстий до травления печатной платы, так как все отверстия включены параллельно. Кроме того, способ предусматривает перегрев металлизации отверстия, что может быть опасным. Недостатком также является то, что при реализации способа считаются известными толщина слоя металлизации и удельное электрическое сопротивление ее металла.

Задачей изобретения является создание способа контроля качества, т.е. толщины стенки и отслоений металлизированных отверстий печатных плат диаметром от 0,3 мм до операции травления печатной платы, так как в настоящее время не существует надежного способа решения задачи контроля отверстий малого диаметра (0,3 - 0,5 мм). Предлагаемый способ контроля качества металлизации позволяет решить задачу, не измеряя предварительно толщину стенки и удельное электрическое сопротивление металлизации. Кроме того, контактные и вихретоковые способы измерения толщины металлизации имеют одну из составляющих погрешностей, равную относительному изменению, т.е. нестабильности, удельного электрического сопротивления металла металлизации, что часто имеет место из-за вариаций технологического режима нанесения металлизации электрохимическим методом.

Для достижения этого технического результата в способе контроля качества металлизации отверстий печатных плат путем пропускания энергии через металлизацию отверстия с помощью верхнего и нижнего электродов и заключающимся в том, что приводят в соприкосновение верхний электрод с верхней кромкой отверстия, а нижний электрод - с нижней кромкой отверстия, и по параметрам полученного отклика судят о качестве металлизации, предлагается в качестве источника энергии использовать импульсный источник теплового возбуждения, по контролируемому участку металлизации отверстия с помощью верхнего электрода, соединенного с импульсным источником теплового возбуждения, пропускать импульс теплового возбуждения длительностью τ_в≪ в²₂/a_т, где B₂ - толщина печатной платы, а_т - температуропроводность материала металлизации, импульс теплового отклика регистрировать тепловым преобразователем, присоединенным к нижнему электроду, также предлагается для оценки качества металлизации находить отношение (U_m-U_Θ)/U_m, где U_m - максимальное значение сигнала теплового преобразователя в момент времени; τ_м,U_Θ - значение сигнала теплового преобразователя в момент времени , и по величине этого отношения и величине τ_м судят о качестве металлизации с помощью градуировочных кривых, полученных посредством печатных плат с известной толщиной металлизации и степенью ее отслоения от основания. Также предлагается импульс теплового возбуждения формировать с помощью импульсных вихревых токов в верхнем электроде, наводимых катушкой индуктора, по которой пропускается радиоимпульс - импульсный синусоидальный ток с частотой ω>2/в²₁μ_жσ_ж), где μ_ж,σ_ж - удельные магнитная проницаемость и электрическая проводимость материала верхнего электрода, a B₁ - толщина верхнего электрода.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано схематическое расположение печатной платы, верхнего и нижнего электродов, источника импульсного теплового возбуждения и теплового преобразователя; на фиг. 2,а, б, в показаны: а) - характеристика источника импульсного теплового возбуждения - максимальное тепловое излучение q_макс в интервале времени 0-τ_в; б) - зависимость от времени сигнала U(ΔT) на выходе теплового преобразователя; в) - импульсный синусоидальный ток катушки индуктора; на фиг. 3 показаны градуировочные кривые для печатной платы с известной толщиной металлизации и степенью ее отслоения от основания.

Реализация заявленного способа осуществляется согласно фиг. 1. Верхняя кромка металлизации 1 отверстия печатной платы 2 приводится в контакт с верхним электродом 3, а нижняя кромка - с нижним электродом 4, к верхнему электроду присоединен импульсный источник теплового возбуждения 5, а к нижнему - тепловой преобразователь 6, на поверхности печатной платы может быть слой фольги 7.

Работа происходит следующим образом. Через металлизированное отверстие 1 печатной платы 2 пропускают посредством верхнего электрода 3 от источника импульсного теплового возбуждения 4 импульс теплового возбуждения, параметры отклика которого - изменение температуры нижнего электрода 5 - регистрируются тепловым преобразователем 6. Тепловой преобразователь - это устройство, преобразующее изменение температуры ΔT нижней кромки металлизации в электрический сигнал U(ΔT) = K_тпΔT, где K_тп [В/^oC] - коэффициент преобразования теплового преобразователя. От верхней кромки металлизированного отверстия тепло распространяется к нижнему электроду по слою металлизации и вдоль поверхности платы по слою фольги 7, как это отмечено стрелками на фиг. 1. Тепловой поток вдоль поверхности рассеивается в слое фольги, поэтому соседние отверстия никак не влияют на процесс распространения тепла вдоль слоя металлизации 1 и контроль может производиться до операции травления рисунка печатной платы.

Чтобы полностью использовать все преимущества импульсного теплового возбуждения, длительность импульса теплового возбуждения (фиг. 2,а) должна быть намного меньше характеристического времени распространения тепловой волны вдоль слоя металлизации τ_в≪ в²₂/a_т, (1) где B₂ - толщина печатной платы (фиг. 1); a_т - температуропроводность материала металлизации.

Тепловое возбуждение распространяется вдоль слоя металлизации от верхнего электрода; затухание и время распространения этого возбуждения зависят от толщины слоя металлизации и степени прилегания металлизации к основанию, т. е. отслоения. Изменение температуры ΔT нижней кромки металлизации регистрируется тепловым преобразователем, сигнал на выходе которого U(ΔT),см.фиг. 2,б, возрастает, в момент времени τ_м достигает своего максимального значения U_м и затем уменьшается.

В качестве источника теплового возбуждения можно использовать лазер, лампу вспышку и т.п., в качестве теплового преобразователя можно использовать транзистор, пироэлектрический преобразователь, термопару и т.п.

Чтобы иметь возможность легко регулировать параметры возбуждения, интенсивность и длительность, в качестве источника импульсного теплового возбуждения можно использовать импульсные вихревые токи, наводимые в верхнем электроде индуктором, роль которого выполняет катушка индуктивности, по которой пропускается импульсный синусоидальный ток длительностью τ_в, см.фиг. 2,в.

Верхний электрод 3, см. фиг. 1, должен экранировать печатную плату и особенно нижний электрод от прямого воздействия теплового возбуждения, для чего он выполняется из стальной жести. Частота тока ω индуктора выбирается такой, чтобы глубина проникновения δ[м] вихревых токов была много меньше, чем толщина верхнего электрода B₁ (δ ≪ в₁), откуда ω > 2/(в²₁μ_жσ_ж), (2) где μ_ж,σ_ж - удельные магнитная проницаемость и электрическая проводимость материала верхнего электрода.

Для оценки качества металлизации определяют отношение Z = (U_m-U_Θ)/U_m (3) где U_Θ - значение сигнала теплового преобразователя в момент времени Θ,см. фиг. 2,б, Используя печатные платы с различной толщиной и качеством металлизации отверстий, получают экспериментальным путем и путем компьютерного моделирования градуировочные кривые (фиг. 3). По осям отложены величины Z и τ_м, характеризующие каждое отверстие с конкретной толщиной металлизации и отслоением. Градуировочные кривые - это годографы при изменении толщины и относительного отслоения в процентах (0-100) от площади отверстия для отверстий определенного диаметра на плате известной толщины.

Видно, что изменение толщины и отслоения металлизации влияют по-разному, т. е. каждая точка, находящаяся между двумя сплошными кривыми, соответствующими хорошей металлизации, т. е. без отслоения, и 100% отслоению, характеризует металлизацию определенной толщины и степени отслоения.

Изобретение может быть использовано во всех областях техники, где изготавливают и применяют печатные платы, в частности в приборостроении, радиотехнике, радиотехнической промышленности, в вычислительной технике, для неразрушающих испытаний качества металлизации отверстий печатных плат до травления рисунка, что позволяет уменьшить потери, связанные с обработкой некачественной платы.

Кроме того, изобретение может быть использовано в металлургической промышленности, в энергетике, особенно атомной, для измерения толщины электропроводящих покрытий на внутренней поверхности труб из диэлектрических и электропроводящих материалов. Способ может быть реализован с использованием существующих измерительных средств и технологий.

Формула изобретения

1. Способ контроля качества металлизации отверстий печатных плат путем пропускания энергии через металлизацию отверстия с помощью верхнего и нижнего электродов, заключающийся в том, что приводят в соприкосновение с верхним электродом верхнюю кромку отверстия, а с нижним электродом - нижнюю кромку отверстия, и по параметрам полученного отклика судят о качестве металлизации, отличающийся тем, что в качестве источника энергии используют импульсный источник теплового возбуждения, по контролируемому участку металлизации отверстия с помощью верхнего электрода, соединенного с импульсным источником теплового возбуждения, пропускают импульс теплового возбуждения, длительностью τ_в≪ в²₂/a_т, где В₂ - толщина печатной платы, а_т - температуропроводность материала металлизации, импульс теплового отклика регистрируют тепловым преобразователем, присоединенным к нижнему электроду, и для оценки качества металлизации находят отношение (U_m-U_Θ)/U_m, где U_m - максимальное значение сигнала теплового преобразователя в момент времени τ_м,U_Θ - значение сигнала теплового преобразователя в момент времени по величине этого отношения и величине τ_м судят о качестве металлизации с помощью градуировочных кривых, полученных посредством печатных плат с известной толщиной металлизации и степенью ее отслоения от основания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника теплового возбуждения используют вихревые токи, наводимые в верхнем электроде индуктором в виде катушки индуктивности, по которой пропускают радиоимпульс тока длительностью τ_в.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3