eng
Выпуск #9/2018
Раков Александр Валерьевич, Собченко Максим Иванович, Думчиков К. А., Жуков В. В., Ухандеев Владимир Ильич
Автоматизированная система проверки качества материалов печатных плат микрополосковой СВЧ-техники
Автоматизированная система проверки качества материалов печатных плат микрополосковой СВЧ-техники
Просмотры: 1727
В данной работе изложены основные принципы построения автоматизированной системы проверки качества материалов печатных плат. Рассмотрены методики измерений параметров диэлектриков, даны структура и описание измерительного стенда и изложены принципы функционирования специализированного программного обеспечения в составе разрабатываемой системы.
УДК 621.396.6.001
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.195.196
УДК 621.396.6.001
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.195.196
Теги: dielectric characterization dielectric substrate measurements automation printed circuit boards test vehicle автоматизация измерений диэлектрическая подложка измерения параметров диэлектрика измерительная ячейка печатная плата
Достоверная информация о значениях диэлектрических параметров материалов печатных плат является одним из ключевых факторов в вопросах обеспечения эксплуатационных характеристик радиоэлектронных изделий (РЭИ). Случается, что реальные значения диэлектрических параметров подложек не всегда соответствуют заявленным поставщиком. Более того, всегда существует разброс параметров материалов даже внутри одной серии у одного и того же производителя. Несоответствие характеристик материалов печатных плат обнаруживается косвенно уже в процессе регулировки РЭИ. Возникает необходимость проверки качества материалов печатных плат — как материалов проводящих рисунков, так и материалов подложек. Основные измеряемые электрические характеристики подложек печатных плат, соответствие которых необходимо проверить, — это относительная диэлектрическая проницаемость εr′ и тангенс угла диэлектрических потерь tan δ. Следует понимать, что величина εr′ вовсе не обязательно постоянна, а может существенно зависеть от частоты, поскольку она связана с фазовой скоростью распространения волны вдоль линии передачи. При этом тангенс угла потерь, связанный с общими потерями мощности сигнала в линии, обычно увеличивается с частотой. Для измерения частотных характеристик диэлектрических материалов печатных плат в данной работе используются два измерительных метода, которые позволяют в широкой полосе частот достаточно точно определять параметры диэлектрических подложек: метод бегущей волны (S3-метод [1]) и метод кольцевого резонатора [2]. Благодаря тому, что упомянутые методы используют отличные друг от друга принципы получения информации о параметрах диэлектрика, возможно проводить независимое сравнение результатов измерений параметров одних и тех же материалов.
Измерительный стенд состоит из измерительного прибора, кабельных сборок и измерительной ячейки.
Измерительным прибором может служить как векторный анализатор цепей, так и скалярный, в зависимости от применяемого метода измерения.
Для того чтобы проводить оценку и сравнение измеренных характеристик большого числа образцов подложек в реальном масштабе времени в промышленном объеме, необходима автоматизация процесса измерения параметров материалов. Для данной задачи разрабатывается программный модуль, устанавливаемый на стандартное измерительное оборудование (векторный или скалярный анализатор). Последовательность действий в процессе измерения параметров диэлектрика с применением программного модуля схематически изображена на рис. 2.
Разрабатываемый программный модуль обеспечит сохранение и обработку измеренных характеристик измерительной ячейки, математическую обработку данных характеристик, а также вывод и отображение извлеченных диэлектрических параметров.
Для обеспечения проверки качества материалов печатных плат, используемых в разрабатываемых РЭИ, предлагается интегрировать топологию измерительной линии в топологию РЭИ, отправляемую на производство, как показано на рис. 3.
После отделения фрагмента платы, содержащего топологию измерительной линии, перфорационная линия выравнивается, чтобы придать плате с текущим дизайном РЭИ необходимый форм-фактор. На отделенный фрагмент платы с измерительной линией монтируются коннекторы, после чего можно проводить измерения.
Сама идея автоматизации измерений параметров диэлектрических материалов не является новой, однако в рамках проекта удалось решить несколько как чисто электродинамических и технологических задач, так и задач автоматизации, определяющих новизну данной разработки:
в алгоритмах расчета параметров диэлектрика удалось учесть дисперсию основной моды в открытых несимметричных линиях. Это позволило проводить измерения параметров керамических материалов подложек печатных плат, изготавливая двухслойные образцы измерительных ячеек. Дело в том, что в настоящее время отсутствуют технологии массового изготовления многослойных СВЧ-плат из керамических материалов. Изготовление отдельных многослойных образцов может оказаться неприемлемо затратным и технологически сложным;
была реализована автоматизация математической обработки измеренных коэффициентов передачи измерительной ячейки и расчета параметров диэлектрика. Основным достоинством выбранных методов измерения параметров диэлектрика является идентичность направления векторов поля электромагнитной волны при измерении и в разработках на основе плат с тем же материалом подложек. Это позволяет нивелировать влияние анизотропии материала подложки на результаты измерения;
сформулирован принцип интеграции топологий измерительных линий в дизайн разрабатываемого радиоэлектронного изделия для контроля параметров печатных плат микрополосковой СВЧ-техники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hinaga S., Koledintseva M., Drewniak J., Koul A. and Zhou F. Thermal Effects on PCB Laminate Material Dielectric Constant and Dissipation Factor. Techn. Conf.IPC Expo/APEX 2010, Las Vegas, April 5–8, 2010, paper # S16-1.
2. IPC Test Methods Manual TM-650. Test Method 2.5.5.13. Available at http://www.ipc.org/TM/2-5-5-13.pdf.
3. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / Бахарев С. И., Вольцман В. И., Либ Ю. Н. и др. / Под ред. Вольцмана. — М.: Радио и связь, 1982. — 328 с.
Измерительный стенд состоит из измерительного прибора, кабельных сборок и измерительной ячейки.
Измерительным прибором может служить как векторный анализатор цепей, так и скалярный, в зависимости от применяемого метода измерения.
Для того чтобы проводить оценку и сравнение измеренных характеристик большого числа образцов подложек в реальном масштабе времени в промышленном объеме, необходима автоматизация процесса измерения параметров материалов. Для данной задачи разрабатывается программный модуль, устанавливаемый на стандартное измерительное оборудование (векторный или скалярный анализатор). Последовательность действий в процессе измерения параметров диэлектрика с применением программного модуля схематически изображена на рис. 2.
Разрабатываемый программный модуль обеспечит сохранение и обработку измеренных характеристик измерительной ячейки, математическую обработку данных характеристик, а также вывод и отображение извлеченных диэлектрических параметров.
Для обеспечения проверки качества материалов печатных плат, используемых в разрабатываемых РЭИ, предлагается интегрировать топологию измерительной линии в топологию РЭИ, отправляемую на производство, как показано на рис. 3.
После отделения фрагмента платы, содержащего топологию измерительной линии, перфорационная линия выравнивается, чтобы придать плате с текущим дизайном РЭИ необходимый форм-фактор. На отделенный фрагмент платы с измерительной линией монтируются коннекторы, после чего можно проводить измерения.
Сама идея автоматизации измерений параметров диэлектрических материалов не является новой, однако в рамках проекта удалось решить несколько как чисто электродинамических и технологических задач, так и задач автоматизации, определяющих новизну данной разработки:
в алгоритмах расчета параметров диэлектрика удалось учесть дисперсию основной моды в открытых несимметричных линиях. Это позволило проводить измерения параметров керамических материалов подложек печатных плат, изготавливая двухслойные образцы измерительных ячеек. Дело в том, что в настоящее время отсутствуют технологии массового изготовления многослойных СВЧ-плат из керамических материалов. Изготовление отдельных многослойных образцов может оказаться неприемлемо затратным и технологически сложным;
была реализована автоматизация математической обработки измеренных коэффициентов передачи измерительной ячейки и расчета параметров диэлектрика. Основным достоинством выбранных методов измерения параметров диэлектрика является идентичность направления векторов поля электромагнитной волны при измерении и в разработках на основе плат с тем же материалом подложек. Это позволяет нивелировать влияние анизотропии материала подложки на результаты измерения;
сформулирован принцип интеграции топологий измерительных линий в дизайн разрабатываемого радиоэлектронного изделия для контроля параметров печатных плат микрополосковой СВЧ-техники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hinaga S., Koledintseva M., Drewniak J., Koul A. and Zhou F. Thermal Effects on PCB Laminate Material Dielectric Constant and Dissipation Factor. Techn. Conf.IPC Expo/APEX 2010, Las Vegas, April 5–8, 2010, paper # S16-1.
2. IPC Test Methods Manual TM-650. Test Method 2.5.5.13. Available at http://www.ipc.org/TM/2-5-5-13.pdf.
3. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / Бахарев С. И., Вольцман В. И., Либ Ю. Н. и др. / Под ред. Вольцмана. — М.: Радио и связь, 1982. — 328 с.
Отзывы читателей
