Контроль качества металлизации отверстий печатных плат

Задача контроля толщины медного слоя, полученного при металлизации отверстий печатных плат (ПП), является очень актуальной.

Значительная доля брака при производстве ПП и отказов при их эксплуатации приходится именно на металлизированные отверстия (МО), используемые для установки элементов или для соединения токопроводящих дорожек в различных слоях. Типичные виды возможных дефектов покрытий в МО: слишком тонкий слой меди, из-за чего возможен перегрев током, разрушения при пайке, возникновение радиальных трещин; слишком толстый слой меди, из-за чего выводы конструктивных элементов не входят в отверстия, покрытие может отслаиваться от стенок отверстия (в этом случае будет также перерасход меди); отрыв контактных площадок; дефекты, возникающие в процессе осаждения меди из-за плохой подготовки отверстия (выступающие стекловолокна, загрязнения при сверлении и др.); трещины, возникающие при термических нагрузках; выделение газа при пайке, что приводит к непропаю и (или) к разрушению МО; неполная протравка перед нанесением гальванического покрытия, особенно в МПП. что приводит к плохому соединению внутренних слоев.

Многочисленными исследованиями микрошлифов отверстий установлено следующее:

- форма трубки меди может отличаться от правильной цилиндрической;

- шероховатость поверхности стенок трубки иногда столь велика, что может быть соизмерима с ее толщиной;

- стенки трубки иногда имеют утолщения в устье и более тонкую среднюю часть; толщина стенок трубки может изменяться вдоль стенок отверстия вплоть до крайнего случая, когда на одной части поверхности отверстия медь есть, а на другой - нет.

Сам способ изготовления микрошлифа иногда может служить источником возникновения дополнительных ошибок. Во-первых, отверстие может быть разрезано не точно по оси, и в этом случае получится косое сечение стенки вместо нормального, что приведет к завышению измеренного значения толщины медного покрытия. Во-вторых, при шлифовке может произойти "размазывание" меди по поверхности шлифа, что также приведет к ошибке при измерениях. Изложенные выше соображения показывают, что способ измерения толщины меди по шлифам далек от совершенства, хотя и применяется повсеместно. В отличие от других он является способом прямого измерения, нагляден и поэтому часто играет роль арбитражного.

Вопросы для самопроверки по разделу 5

1. Каким требованиям должны удовлетворять материалы, контролируемые вихретоковыми методами?

2. Почему очень много конструкций вихретоковых преобразователей?

3. Как вихретоковым методом можно контролировать качество изготовления

печатных плат?

Раздел 6. Радиоволновый вид получения информации

Радиоволновой вид получения информации основан на регистрации изменения параметров электромагнитных колебаний сверхвысокой частоты (СВЧ), взаимодействующих с объектом контроля (ОК). Диапазон длин волн, преимущественно используемый в радиоволновом контроле, лежит в пределах λ= 1...100 мм. Электромагнитные колебания СВЧ - диапазона свободно распространяются в воздухе и диэлектрических средах, подобно обычным радиоволнам, но для их излучения и приёма необходимы специальные волноводы и антенны, размер которых зависит от длины волны используемого СВЧ- излучения. Поэтому более освоены и обеспечены измерительной аппаратурой 3-см и 8-мм поддиапазоны. Отличительной особенностью этого вида получения информации является:

1. отсутствие необходимости контакта между датчиком СВЧ -

прибора (антенной) и объектом контроля;

2. невозможность контроля металлических или металлизированных

изделий, так как СВЧ-волны, как и вообще радиоволны не проходят через металлы.

Излучения СВЧ относятся к области радиоволн, которые с момента своего открытия использовались для передачи инфор­мации. Применение волн СВЧ для целей НК потребовало соз­дания теории их взаимодействия с ОК. Радиоволновой контроль применяют для решения всех типовых задач толщинометрии, дефектоскопии, структуроскопии и интроскопии (контроля внутреннего состояния ОК). Используемая при этом аппаратура, как правило, построена на базе стандартных или модернизированных элементов СВЧ.

Среди других особенностей радиоволнового контроля по сравнению с оптическим и радиационным следует отметить использование импедансного метода для расчета параметров сигналов и соизмеримость длины волны излучения с размерами радиоволнового тракта "источник излучения - объект контроля - приемник излучения".

Колебания СВЧ могут быть получены с помощью генераторов магнетронного типа, ламп обратной волны, отражательных клистронов, квантово-механических генераторов и полупроводниковых приборов.

Наибольшее применение находят клистроны, затем следуют магнетроны, лампы обратной волны и полупроводниковые генераторы.

В приборах, связанных с излучением радиоволн, энергия от генератора к антенне или от антенны к приемнику передается с помощью направляющих систем. Электромагнитные волны направляются проводящими или изолирующими поверхностями, образующими каналы электромагнитной энергии в пространстве между ними. На практике в приборах получения информации чаще всего используют прямоугольные волноводы. Для излучения и приема радиоволн используют антенны.

Антенны диапазона СВЧ характеризуются апертурой - раскрывом (выраженным обычно через длину волны излучения), а также диаграммой направленности, к.п.д и другими параметрами.

Передающие и приемные антенны. Для излучения и приема радиоволн

используют антенны (от лат. antenna — мачта, рей).

Передающие антенны стремятся делать остронаправленны­ми, чтобы получить высокую локальность контроля объектов. Приемные антенны должны обеспечивать наилучшие условия приема энергии радиоволн СВЧ, приходящих от ОК. Как пе­редающие, так и приемные антенны по возможности должны быть согласованы с внешним пространством и волноводным трактом, чем достигаются оптимальные условия передачи элект­ромагнитной энергии от генератора к ОК и от ОК к приемни­ку. Во многих случаях один и тот же тип антенны может быть использован и для излучения, и для приема.

Рупорная антенна представляет комбинацию отрезка волно­вода постоянного сечения и собственно рупора (рис. 6.1). Част­ный случай рупорной антенны — открытый конец волновода.

Рис. 6.1. Рупорная антенна (а) и зависимость ее ширины диаграммы направленности от размеров (б)

Рупорные антенны формируют на выходе сферическую вол­ну, распространяющуюся вдоль оси рупора. Излучение рупорной антенны можно рассматривать как прохождение электро­магнитных волн через отверстие в экране (раскрыв рупора) с учетом дифракции. Характеристики поля излучения рупорной антенны (диаграмма направленности, коэффициент усиления и др.) определяются размерами рупора: длиной l, размерами раскрыва a, b и углом . Все эти параметры взаимозависимы, и изменение одного из них ведет к изменению других. Учет этой зависимости необходим при расчете рупоров, диаграмма направленности которых соответствует расчетной. Диаграмма направленности рупорной антенны имеет вид сигарообразного тела, это так называемые «игольчатые» диаграммы. Толщина «сигары» зависит от формы и размеров раскрыва рупора, типа волны, длины рупора.

Радиоволновые методы используют для измерения толщины диэлектрических покрытий на металлической либо диэлектрической основе, толщины диэлектрических слоев, на металлических листах и прокате. Для толщинометрии используют амплитудно-фазовый, частотно-фазовый, геометрический, поляризационный и другие методы.

Неоднородности (дефекты) любого типа вызывают изменение волны, прошедшей через материал или отраженной от него. При этом меняются амплитуда, фаза, поляризация волны, а также коэффициенты отражения, преломления. Структурные неоднородности обнаруживают также, используя явления рассеяния, дифракции и интерференции. Если размеры неоднородностей невелики по сравнению с длиной волны, то основную роль при их обнаружении играют рассеяние и дифракция.

Коротко остановимся на методах и средствах радиоволново­го контроля. Если контролируемая величина непосредственно связана с напряженностью поля (мощностью) отраженного, про­шедшего или рассеянного излучения, используется амплитудный метод контроля. Техническая реализация метода проста, одна­ко невысокая помехоустойчивость ограничивает его применение. Более надежные результаты получают, используя фазовый и амплитудно-фазовый методы, основанные на выделении полез­ной информации, заключенной в изменениях амплитуды и фазы волны. Для выделения этой информации в аппаратуру контроля вводят опорное плечо «источник — приемник излучения» и схе­му сравнения сигналов от ОК с опорным.

Если толщина ОК превышает длину волны используемого зондирующего излучения, рекомендуется для ее измерения ис­пользовать геометрический или временной метод. В первом слу­чае контролируемый параметр связан с отклонением положений отраженного луча в плоскости регистрации относительно выб­ранной системы координат, во втором — с изменением задержки сигнала во времени.

Для контроля тонкопленочных и анизотропных материалов применяют поляризационный метод, основанный на анализе из­менений плоскости или вида поляризации колебаний после взаимодействия излучения с ОК. Перед испытаниями приемную ан­тенну разворачивают до тех пор, пока сигнал на ее выходе от образцового ОК не станет равным нулю. Сигналы от испыты­ваемых ОК характеризуют степень отклонения их свойств от образцового.

Голографический метод дает хорошие результаты при конт­роле внутреннего строения ОК, однако из-за сложности его ап­паратурной реализации метод имеет ограниченное применение.

Радиоволновой контроль по прошедшему излучению позво­ляет обнаружить дефекты ОК, если их параметры _а и _а зна­чительно отличаются от аналогичных параметров основного ма­териала, а размеры соизмеримы или превышают длину волны зондирующего излучения. В простейшем варианте такого конт­роля в приемном тракте поддерживают режим бегущей волны. Наиболее полную информацию об ОК дает применение много­элементных антенн, поскольку в этом случае удается воспро­извести внутреннюю структуру объекта. Для повышения раз­решающей способности дефектоскопии используют метод само­сравнения. Он реализуется с помощью двух комплектов излу­чающих и приемных устройств, максимально приближенных друг к другу. Результирующий сигнал определяется разностью амплитуд и фаз сигналов приемников каждого канала. Нали­чие дефекта приводит к изменению условий распространения волны в одном канале и появлению разностного сигнала.

Анализ динамики изменения сигнала при периодическом про­хождении дефекта через зону контроля радиоволнового дефек­тоскопа позволяет снизить порог его чувствительности.

Резонансный метод радиоволнового контроля основан на введении ОК в резонатор, волновод или длинную линию и ре­гистрации изменений параметров электромагнитной системы (ре­зонансной частоты, добротности, числа возбуждаемых типов ко­лебаний и т. д.). Этим методом контролируются размеры, эле­ктромагнитные свойства, деформации и другие параметры ОК. Успешно используется резонансный метод для контроля уровня жидкостей в резервуарах и параметров движения различных объектов (например, всем известный милицейский радар для определения скорости движущегося автомобиля).

Большое распространение получили радиоволновые методы определения влажности в различных материалах и изделиях. При взаимодействии электромагнитных волн с материалами, содержащими влагу, определенным образом изменяется амплитуда, фаза и угол поворота плоскости поляризации как отраженной, так и прошедшей волн. В общем случае характер взаимодействия электромагнитных волн с материалами, содержащими влагу, зависит от физических свойств среды, диапазона изменения влагосодержания, необходимой точности измерения и особенностями конкретной задачи измерения.

Для увеличения диапазона измерений и повышения точности разрабатываются двух, и даже трехчастотные влагомеры СВЧ с одновременным изменением плотности и температуры контролируемого материала. Такое устройство позволяет также определять дисперсионную зависимость контролируемой влаги от температуры. Большинство сухих материалов характеризуются слабой дисперсией на СВЧ, и их диэлектрические свойства не зависят от температуры, вода, как полярное вещество, обладает высокой дисперсией в диапазоне СВЧ, и ее диэлектрическая проницаемость зависит от температуры.

Условно по измеряемым параметрам, СВЧ-влагомеры подразделяются на несколько групп. В амплитудных влагомерах измеряемой величиной является ослабление мощности прошедшего излучения в децибелах. С целью автоматизации измерения влаги в амплитудных влагомерах применяют двухканальные схемы сравнения с опорной волноводной ветвью, содержащей эталон, или с опорным электрическим сигналом, полученным детектированием части используемой энергии СВЧ.

В фазовых влагомерах измеряемой величиной является разница фаз между излученной и принятой электромагнитными волнами, зависящая от влагосодержания материала. В необходимых случаях используется измерение и амплитуды и фазы при контроле влажности. Отечественный влагомер с амплитудной коррекцией обеспечивает измерение влажности в диапазоне от 10 до 30 % в температурном интервале от 5 до 40 ⁰С.

Амплитудно-фазовые влагомеры измеряют влажность в широких пределах от 0 до 100 %. Погрешность измерений во всех случаях не превышает 1 %.

Большое распространение получили методы СВЧ для контроля грунтов, в частности для выявления подземных коммуникаций, разливов нефти, водоносных слоёв, пещер и т. д.

Вопросы для самопроверки по разделу 6

1. Какой диапазон длин волн электромагнитных колебаний используется в радиоволновом контроле?

2. Какие виды дефектов могут выявляться с помощью радиоволновой дефектоскопии?

3. Какой диапазон длин волн используется при радиоволновом контроле?