Способ неразрушающего контроля соединений электрических цепей печатных плат

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) (1) 9 А 1 К 1/11, 6 01 й 31/ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМ ВИДЕТЕЛ ЬСТВУ к производству ры, в частности многослойных кросхем, и мо- еразрушающеталлизации и платы 1 ник 2 и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(71) Минский радиотехнический институт(56) Авторское свидетельство СССРМ 1308951, кл. 6 01 В 31/02, 1987.Патент ФРГ М 2441690,кл, 0 01 й 31/07, 1974,(54) СПОСОБ НЕРАЗРУШАК)ЩЕГО КОНТРОЛЯ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХЦЕПЕЙ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Изобретение относитсярадиоэлектронной аппаратук технологии изготовленияпечатных плат и подложек мижет быть использовано для нго контроля качества меконтактных переходов.Цель изобретения - снижение погрешностей и повышение полноты контроля;На фиг, 1 изображена электрическая цепь печатной платы и расположение электрических измерительных зондов при контроле контактных переходов; на фиг. 2, 3 - электрическая цепь платы при симметричных взаимно противоположных направлениях изгиба печатной платы; на фиг. 4 приведена кинематическая схема установки для реализации способа; на фиг. 5 - характеристики коэффициентов тензочувствительности.Электрическая цепь печатнойвключает в себя печатный провод(57) Использование: неразрушающий контроль качества металлизации и контактных переходов многослойных печатных плат, Сущность изобретения: способ включает знакопеременное изгибное нагружение платы и измерение электрических параметров соединений, Измерение выполняют после изгиба при постоянном значении величины деформации и по отличию параметров при деформациях, равных по модулю и различных по знаку, судят о наличии дефектов, что позволяет снизить погрешность измерений и повысить полноту контроля. 2 з.п. ф-лы, 5 ил,полые проводящие столбы 3 - 5. Контроли- й руемый контактный переход 6 представляет собой цилиндрическую поверхность сопряжения полого проводящего столба 4 с печатным проводником 2.Для контроля контактного перехода 6 применена четырехзондовая схема измерения сопротивления перехода. Для этого к торцам полых проводящих столбов 3, 4 подключены токовые зонды 7, 8 от источника тока, В результате по цепи, образованной полыми проводящими столбами 3, 4 и участком печатного проводника 2 между ними, протекает калиброванный ток, При протекании тока через контактный переход 6 на нем возникает падение напряжения, пропорциональное величине сопротивления перехода, В результате между печатным проводником 2 и проводящим столбом 4 возникает разность потенциалов, равная величине падения напряжения на контактном переходе 6. Для выделения и сниженияпогрешности измерения этой разности потенциалов потенциальные зонды 9, 10 измерителя потенциала должны бытьподключены к проводящему столбу 4 и печатному проводнику 2 на участке, по котороу не протекает калиброванный ток отисточника тока. В частности, токовый зондВ и потенциальный зонд 9 могут быть выполнены "расщепленными" и подключенык торцу проводящего столба 4 или потенциальный зонд 9 может быть подключен кторцу проводящего столба 4 с противоположной токовому зонду 8 стороны. Потенциальный зонд 10 может быть подключен кторцу проводящего столба 5 с любой стороны, так как проводящий столб 5 электрически соединен с печатным проводником 2,потенциал проводящего столба 5 равен потенциалу печатного проводника 2. При этомпогрешность измерения разности потенциалов не зависит в определенных пределахот качества контактирования потенциальных зондов 9, 10 с проводящими столбами4, 5 и от качества контактного переходамежду печатным проводником 2 и проводящим столбом 5. Это обусловлено тем, чтоизмеритель потенциала имеет высокоомный вход и по цепи проводящий столб 4 -печатный проводник 2 - проводящий столб5 не протекает ток. 30 Наличие дефектов на малой площади контактного перехода обуславливает как его потенциальную ненадежность при эксплуатации, так и повышенную тензочувст вительность.Статическое изгибающее нагружение в диапазоне деформации 0-10 з отн. ед. в двух взаимно противоположных симметричных направлениях оказывает различное 40 влияние на относительные изменения сопротивления дефектного перехода, Так, растягивающие деформации (фиг. 2) вызывают изменения сплошности дефектного контактного перехода, в частности увеличе ние пар, раскрытие микротрещин, частичное отслаивание печатного проводника от столба. В результате рост сопротивления дефектного перехода оказывается при равных деформациях большим, чем без дефектного, что обусловливает высокие значения коэффициентов тензочувствительности, по отличию которых от соответствующих значений эталонной платы судят о наличии дефектов. При этом в ди апазоне деформаций значения коэффициентов тензочувствительности могут нелинейно изменяться в зависимости от характера нарушения сплошности стадий раскрытия микротрещин, пор. Сжимающие механические деформации вызывают смыкание границ микротрещин, уменьшение пор, увеличение числа контактных точек в соединении печатного проводника спроводящим столбом частичное залечивание дефектов структуры. При этом микротрещины и микрополости, электрически замкнутые в статическом состоянии, сохраняют стабильность сопротивления действия сжимающих деформаций. В результате сопротивление контактного перехода изменится незначительно и коэффициенты тензочувствительности переходов имеют минимальные значения, близкие к значениям коэффициентов тензочувствительности сплошных металлов или эталонной платы.Таким образом, по отличию коэффициентов тзнзочувствительности друг от друга при равных, противоположных по знаку деформациях, также судят о наличии дефектов переходов, Беэдефектные контактные переходы имеют малые равные значения коэффициентов тензочувствительности в каждом из двух симметричных взаимно противоположных направлений изгиба печатной платы,Печатная плата 1 (фиг, 4) закреплена между неподвижными опорами 11, 12 и 13, 14, установленными симметрично друг другу на станине 15. По неподвижным опорам 11, 13 и 12, 14 синхронно перемещаются траверсы 16, 17, скрепленные между собой планками 18. Траверсы 16, 17 снабжены подвижными опорами 19, 20 и 21, 22 соответственно, установленными симметрично друг другу относительно печатной платы 1. Перемещение траверс 16, 17 осуществляется вращением винта 23, имеющего резьбовое соединение с траверсой 16.При вращении винта 23 по часовой стрелке траверсы 16, 17 перемещаются вниз по неподвижным опорам 11, 12 и 13, 14 соответственно. Подвижные опоры 19, 20 траверсы упираются в печатную плату 1 и изгибают ее вниз. При этом участок печатной платы 1 между подвижными опорами 19, 20 испытывает изгиб с постоянным радиусом кривизны. В результате соединения электрической цепи на верхней стороне печатной платы 1 на участке между подвижными опорами 19, 20 подвергаются равномерной статической деформации сжатия.При вращении винта 23 против часовой стрелки траверсы 16, 17 перемещаются вверх по неподвижным опорам 11, 12 и 13, 14, При этом подвижные опоры 19, 20 отходят от печатной платы 1, а подвижные опоры 21, 22 траверсы 17 упираются в плату иизгибают ее вверх. Участок печатной платы1 между подвижными опорами 21, 22 испытывает изгиб с постоянным радиусомкривизны; В результате соединения электрической цепи на верхней стороне печатнойплаты 1 на участке между подвижными опорами 21, 22 подвергаются равномерной деформации статического растяжения.Величину относительной деформациипри том или ином прогибе платы рекомендуется рассчитывать по формуле 10г д го)3 гбгде 6 - величина деформации, отн, ед.;Ь - толщина печатной платы, м;д - расстояние от поверхности платы дослоя с контролируемым контактным переходом, м;- расстояние между подвижными опорами, м;1 - величина прогиба на участке междуподвижными опорами, м.Структурная схема для измерения значений коэффициентов тензочувствительности также приведена на фиг, 4. Кконтролируемому контактному переходупечатной платы 1 подключен измеритель24 относительных изменений сопротивления.Величину деформаций измеряют с помощью съемного тензопреобразсзателя 25,выполненного на базе проволочного тензорезистора, который установлен на платесвидетеле-геометрическом аналогеконтролируемой печатной платы (на чертеже не показано). Тензопреобразователь 25и печатную плату 1 закрепляют с помощьюнеподвижных опор 11 - 14 установки и деформируют их подвижными опорами 19 - 22одновременно, чем достигается идентичность величины их деформации.Тензопреобразователь 25 подключен кизмерителю 26 относительных деформаций,выходной сигнал которого пропорционаленвеличине деформаций платы.Сигналы с выходов измерителей относительных изменений сопротивления 24 иотносительных деформаций 26 поступают визмеритель 27 отношения сигналов, который преобразует сигнал в напряжение, пропорциональное значениям коэффициентатензочувствительности контролируемогоконтактного перехода, Результат измерения регистрируется индикатором 28,Благодаря тому, что измерения значений коэффициентов тензочувствительностипроизводят при фиксированныхвеличинахстатических деформаций контролируемойплаты, достигнуто уменьшение в несколько раз погрешностей измерения вследствиеснижения помех электростатического иэлектромагнитного происхождения, присущих способу, использующему вибрационное воздействие,Кроме того, статический характер измеряемых сигналов позволил дополнительнопутем фильтрации и интегрирования помехуменьшить в 2-3 раза погрешность.измерений по сравнению с известным способомпрототипом, в котором фильтрация помехзатруднена вследствие того, что частичныедиапазоны информационного сигнала и помех совпадают.В качестве измерителя 24 относительных изменений сопротивления примененмодернизированный миллиомметр Е 6 -18/1, измерителя относительных деформаций-преобразователь-ПА 1. В качествеизмерителя отношения сигналов использован цифровой вольтметр В 7 - 34. В качествеиндикатора значений коэффициентов тензочувствительности использована ПП ЭВМЕС, обеспечивающая регистрацию,накопление, обработку и индикацию результатов контроля,На фиг, 5 приведены характеристики изменения значений коэффициентов тензочувствительности контактных переходовпри взаимно противоположных симметричных направлениях изгиба в диапазоне деформации 0 - 10 з отн.ед.Максимально допустимые значениякоэффициентов тензочувствител ьности устанавливает характеристика 29 бездефектной эталонной платы. Характеристика 30бездефектной печатной платы имеет значения коэффициентов тензочувствительности,во-первых, меньше значений эталоннойплаты и, во-вторых, равные друг другу приразных, противоположных по знаку, деформациях.Характеристики 31 дефектной платыимеют значения коэффициентов тензочувствительности контактных переходов больше, чем у эталонной платы, отличающиесядруг отдруга при равных, противоположныхпо знаку деформациях, более чем на 1550.Характеристика 32 хотя имеет значениякоэффициентов тензочувствительностименьше соответствующих значений эталонной платы, но отличающиеся друг от другапри равных, противоположных по знаку, деформациях более чем на 25 - 50 Д, что свидетельствует о наличии дефектов.При реализации контроля измеренияпроводят либо на контактных переходах соединений на рабочем поле контролируемойпечатной платы, либо с использованием тестовых структур на технологическом поле заготовки, Последний вариант не требует сложных контактирующих устройств и более производителен.Для проверки эффективности предлагаемого способа контроля проводилось сопоставление его с другими методами, в частности с визуальным контролем дефектов контактного перехода. Для этого послг. измерения коэффициентов тензочувствительности контрольных соединений изготавливались микрошлифы проводящих столбов в плоскости печатного проводника и проводилось наблюдение и фотографирование контактного перехода с помощью металлографического микроскопа МИМпри увеличении 1 50.Анализ подтвердил возможность использования тензочувствительных свойств контактных переходов для контроля качества соединений электрических цепей печатных плат. Так, коэффициент тензочувствительности бездефектных контактных переходов со сплошным соединением проводящего столба с печатным проводником имеет величины в пределах 2 - 4 единиц. При этом коэффициент тензочувствительности практически постоянен при противоположных знаках деформаций.Дефектные контактные переходы с нарушенной сплошностью соединения проводящего столба с печатным проводником микротрещинами в контактном переходе) имеют разброс значений коэффициентов тензочувствительности в пределах 5 - 15 единиц и более.При этом величина коэффициента тензочувствительности меняется в 1,8 - 4 раза при разных противоположных по знаку деформациях.Из всего количества печатных плат с высокими значениями коэффициентов тенэочувствительности контактных переходов примерно у 700 при исследовании микрошлифов были обнаружены микротрещины и отслаивание печатного проводника от проводящего столба, Примерно у 30; печатных плат видимых дефектов контактного перехода обнаружено не было, Однако после испытаний при термоциклировании такие платы показали повышенный процент отказов,Способ пригоден также для контроля соединений металлизации интегральных микросхем. Использование способа позволяет оперативно выявлять отклонения технологии изготовления печатных плат и подложек микросхем, своевременно произ водить корректировку техпроцессов,Способ может быть также использовандля наблюдения за ростом дефектов в соединениях печатных плат микросхем.10 формула и зоб ретени я1. Способ неразрушающего контролясоединений электрических цепей печатных плат, включающий знакопеременное нагружение изгиба и измерение электриче ских параметров соединений, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью снижения погрешностей и повышения полноты контроля, измерение электрических параметров соединений выполняют после изгиба 20 при постоянном значении величины деформации и по отличию электрических параметров при деформациях, равных по модулю и различных по знаку, судят о наличии дефектов,25 2. Способ по п,1, о тл и ч а ю щи й с ятем, что в качестве электрического параметра используют коэффициент тензочувствительцости соединения, определяемый формулой30дйЕгде д Й - относительное изменение электрического сопротивления при воздействии деформации, отн,ед.;35 е - величина относительной деформации соединения, отн.ед.3. Способ по и, 1, отл и ч а ю щи й с ятем, что величину деформации платы при изгибе устанавливают в пределах относи тельных единиц, опредеЛяемых формулой12 ф - 2 б)Зг 4 Угде- расстояние между подвижными опо рами, м;е - величина относительной деформации глаты на участке между подвижными опорами при четырехопорном механическом нагружении, отн,ед.;1 - величина прогиба платы на участкемежду подвижными опорами, м;б - расстояние от поверхности платы дослоя с контролируемым соединением, м:Ь - толщина печатной платы, м, 55.Гагарина, 101 20 18 Заказ 1070 ВНИИПИ Гос Составитель Н, ШмелевТехред М,Моргентал Тираж Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5