PCB do zautomatyzowanego sprzętu badawczego: projektowanie w celu zapewnienia precyzji i niezawodności

Wyobraźnia zmodernizowana przez klienta

Automatyczne urządzenia testowe (ATE) stanowią podstawę zapewniania jakości w produkcji elektroniki, weryfikując funkcjonalność komponentów, PCB,i gotowych urządzeń z prędkością i dokładnością, których nie można równać z ręcznym badaniemU podstaw tych zaawansowanych systemów leży często pomijany kluczowy składnik: sam PCB.i trwałości mechanicznej w celu zapewnienia spójności, powtarzalne wyniki badań, cechy wyróżniające je od standardowych PCB stosowanych w zastosowaniach konsumenckich lub przemysłowych.

W niniejszym przewodniku omówiono wyjątkowe wymagania PCB dla zautomatyzowanego sprzętu badawczego, począwszy od wyboru materiału i rozważań projektowych, aż po wskaźniki wydajności i zastosowania w świecie rzeczywistym.Czy testowanie półprzewodników, elektroniki motoryzacyjnej lub urządzeń medycznych, odpowiednia konstrukcja PCB jest podstawą dokładności i wydajności ATE.

Dlaczego ATE wymaga specjalistycznych PCB?
Zautomatyzowane urządzenia badawcze działają w rygorystycznych warunkach, które doprowadzają PCB do ich granic:
1.Sygnały dużych prędkości: systemy ATE obsługują częstotliwości transmisji danych do 100 Gbps (np. w głowicach testowych półprzewodników), wymagając PCB z kontrolowaną impedancją i minimalną stratą sygnału.
2Ekstremalna precyzja: dokładność pomiaru (do mikrovoltu lub mikrampera) nie pozostawia miejsca na hałas, przesłanie krzyżowe lub zniekształcenie sygnału.
3Systemy ATE działają 24 godziny na dobę w warunkach produkcyjnych, wymagając PCB o długotrwałej niezawodności (MTBF >100 000 godzin).
4.Stres termiczny: Gęste układy komponentów i urządzenia o dużej mocy generują znaczne ciepło, co wymaga skutecznego zarządzania cieplnym w celu zapobiegania dryfowi.
5.Sztywność mechaniczna: głowice badawcze i sondy wywierają stałą siłę, co wymaga PCB, które są odporne na wypaczanie i utrzymują stabilność wymiarową.
Standardowe płytki PCB optymalizowane pod kątem kosztów lub ogólnego użytku nie działają w tych scenariuszach, co podkreśla potrzebę projektowania specyficznego dla ATE.

Główne wymagania projektowe dotyczące PCB ATE
W celu spełnienia wymogów badań PCB ATE muszą zrównoważyć wiele atrybutów wydajności:
1Integralność sygnału
Sygnały o wysokiej prędkości i niskim hałasie są kluczowe dla dokładnych pomiarów.
a.Kontrolowana impedancja: ślady są projektowane do 50Ω (jednostronne) lub 100Ω (diferencyjne) z tolerancjami tak ciasnymi jak ± 3% w celu zminimalizowania odbicia. Wymaga to precyzyjnej kontroli szerokości śladów,grubość dielektryczna, i miedziana waga.
b.Materiały o niskiej stratzie: Substraty o niskiej stałej dielektrycznej (Dk = 3,0·3,8) i współczynniku rozpraszania (Df < 0,002 przy 10 GHz) zmniejszają tłumienie sygnału.Materiały takie jak Rogers RO4350B lub Panasonic Megtron 6 są preferowane w stosunku do standardowego FR-4.
c. Zminimalizowane przesłanie poprzeczne: odstęp od śladu ≥3x szerokość śladu, płaszczyzny naziemne między warstwami sygnału i różnicowe sterowanie parami (z stałym odstępem) zapobiegają zakłóceniom między sąsiednimi sygnałami.
d.Krótkie ścieżki sygnału: kompaktowe układy redukują długość śladu, zmniejszając opóźnienie i degradację sygnału, co jest krytyczne dla ATE o wysokiej częstotliwości (np. testerzy urządzeń 5G).

2. Zarządzanie cieplne
Ciepło z wzmacniaczy mocy, FPGA i regulatorów napięcia może powodować drywat sygnału i degradację komponentów.
a.Gęste warstwy miedziane: miedź o pojemności 2 ̊4 oz (70 ̊140 μm) w samolotach napędowych i na ziemi poprawia rozpraszanie ciepła.
b.Przewody cieplne: szereg przewodów cieplnych o średnicy 0,3 mm do 0,5 mm (10 mm do 20 mm na cm2) przenosi ciepło z podkładek komponentów do wewnętrznych lub zewnętrznych pochłaniaczy ciepła, zmniejszając opór cieplny o 40% do 60%.
c. Substraty rdzenia metalowego: PCB z rdzenia aluminium lub miedzi (przewodność cieplna 1 ‰ 200 W/m·K) są stosowane w modułach badawczych o dużej mocy (np. w testach akumulatorów samochodowych) w celu rozpraszania ciepła o mocy 50 W lub większej.

3Stabilność mechaniczna
Płyty PCB ATE muszą utrzymywać precyzję w warunkach obciążenia mechanicznego:
a.Sztyłe podłoże: FR-4 o wysokim Tg (Tg >170°C) lub laminacje wypełnione ceramiką minimalizują wypaczanie podczas cyklu temperatury (-40°C do 85°C).
b.Wzmocnione krawędzie: pogrubione krawędzie PCB lub twardniki metalowe zapobiegają gięciu w głowicach badawczych, w których sondy wywierają siłę do 10 N na kontakt.
c. Kontrolowana grubość: Całkowita grubość płytek PCB (zwykle 1,6 mm do 3,2 mm) z tolerancjami ± 0,05 mm zapewnia spójne ustawienie sondy.

4. Połączenia między sieciami o wysokiej gęstości (HDI)
Miniaturyzacja systemów ATE (np. przenośnych testerów) wymaga funkcji HDI:
a.Przewody mikro: przewody o średnicy 0,1 mm do 0,2 mm umożliwiają gęste umieszczanie komponentów (np. opakowania BGA o średnicy 0,8 mm).
b.Płaszczyzny zestawione: pionowe połączenia między warstwami zmniejszają długość ścieżki sygnału, zwiększając prędkość w konstrukcjach wielowarstwowych (warstwa 8-16).
c. Fine Line/Space: Ślady wąskie do 3/3 mil (75/75μm) umożliwiają obsługę układów IC o wysokiej liczbie pinów (np. 1000+ pinów FPGA).

Materiały do PCB ATE: analiza porównawcza
Wybór odpowiedniego podłoża ma kluczowe znaczenie dla zrównoważenia wydajności i kosztów:

a. Koszty i wydajność: FR-4 o wysokim Tg osiąga równowagę dla większości przemysłowych ATE,natomiast materiały Rogers lub Megtron są zarezerwowane dla zastosowań wysokiej częstotliwości lub dużych prędkości, w których integralność sygnału jest krytyczna.
b.Rozmiany termiczne: PCB o rdzeniu aluminiowym doskonale rozpraszają ciepło, ale mają wyższy Dk niż laminacje o niskiej stratze, co ogranicza ich stosowanie w konstrukcjach o wysokiej częstotliwości.

Wykorzystanie PCB ATE według branży
PCB ATE są dostosowane do wyjątkowych wymagań różnych środowisk badawczych:
1Badania półprzewodników
Wymagania: Wysokiej częstotliwości (do 110 GHz), niskiego hałasu i gęste połączenia międzyprzewodnikowe do testowania układów stacjonarnych, układów centralnych i mikroprocesorów.
Charakterystyka PCB: HDI 1216 warstwy z mikrovia, podłoże Rogers RO4830 (Dk = 3,38) i kontrolowana impedancja 50Ω.
Przykład: PCB stacji sondy płytkowej z 100+ parami różnicowymi (100Ω) do testowania chipów procesowych 7nm, osiągając integralność sygnału do 56Gbps PAM4.

2. Badania elektroniki samochodowej
Wymagania: wysokie napięcie (do 1000 V), wysoki prąd (50A+) oraz odporność na olej, wilgoć i wibracje.
Charakterystyka PCB: podstawa rdzenia aluminiowego, płaszczyzna napędowa miedzi 4 oz i pokrycie zgodne (ocena IP67).
Przykład: PCB do testowania systemów zarządzania akumulatorami pojazdów elektrycznych (BMS) z izolowanymi płaszczyznami naziemnymi w celu pomiaru napięć z dokładnością ±1 mV.

3. Badania urządzeń medycznych
Wymagania: Niski prąd wyciekowy (< 1 μA), materiały biokompatybilne i osłona EMI do testowania rozruszników serca, komponentów MRI itp.
Charakterystyka PCB: FR-4 wypełniony ceramiką, wykończenie powierzchni bez ołowiu (ENIG) i warstwy osłony miedziane.
Przykład: urządzenie do badania PCB do weryfikacji urządzeń EEG, o rozdzielczości sygnału 1μV i odporności na hałas 50/60 Hz.

4- Badania lotnicze i obronne.
Wymagania: szeroki zakres temperatur (od -55 do 125°C), odporność na promieniowanie i wysoka niezawodność.
Charakterystyka PCB: substraty poliamidu, pozłacane ślady i 100% badania elektryczne (Hi-Pot, ciągłość).
Przykład: PCB do testowania modułów radarowych, odpornych na promieniowanie 50kRad i utrzymujących stabilność impedancji w ekstremalnych temperaturach.

Produkcja i kontrola jakości PCB ATE
PCB ATE wymagają rygorystycznej produkcji i testowania w celu zapewnienia wydajności:
a. Precyzyjne graffitowanie: bezpośrednie obrazowanie laserowe (LDI) osiąga tolerancje szerokości śladu ± 0,005 mm, które są kluczowe dla kontrolowanej impedancji.
b. Badanie impedancji: pomiary TDR (Time-Domain Reflectometry) w 10+ punktach na tablicy sprawdzają impedancję w zakresie ± 3% docelowego.
c.Cykling termiczny: 1000+ cykli temperatury od -40°C do 85°C w celu sprawdzenia delaminacji lub zmęczenia złącza lutowego.
d. Kontrola promieniowania rentgenowskiego: sprawdza jakość i łącza lutowe BGA, zapewniając brak pustek (> 5% powierzchni pustki jest odrzucona).
e.Badanie środowiskowe: Badanie wilgotności (85% RH w temperaturze 85°C przez 1000 godzin) i badania drgań (20G przez 10 godzin) potwierdzają niezawodność.

Trendy w projektowaniu płyt PCB ATE
Postęp w technologii badawczej napędza innowacje w zakresie płyt PCB ATE:
a.5G i 6G Testing: PCB z możliwościami mmWave (28~110GHz) przy użyciu materiałów o niskiej stratze, takich jak Rogers RO5880 (Dk = 2,2) i integracji przewodników fal.
b. AI-Enhanced Testing: PCB z wbudowanymi FPGA i akceleratorami uczenia maszynowego do przetwarzania danych w czasie rzeczywistym w inteligentnych testerach.
c. miniaturyzacja: elastyczne płytki PCB w przenośnych urządzeniach ATE (np. testerów terenowych), które łączą sztywne sekcje (dla komponentów) z elastycznymi sekcjami (dla łączności).
d.Zrównoważony rozwój: materiały wolne od ołowiu, podłoże podlegające recyklingowi oraz efektywne energetycznie projekty spełniające normy UE RoHS i EPA USA.

Częste pytania
P: Jaka jest typowa liczba warstw w PCB ATE?
Odpowiedź: Większość plików PCB ATE obejmuje od 8 do 16 warstw, przy czym systemy o wysokiej częstotliwości lub wysokiej gęstości wykorzystują ponad 20 warstw do obsługi sygnału, zasilania i płaszczyzn naziemnych.

P: Jak grubość PCB wpływa na wydajność ATE?
Odpowiedź: grubsze płytki PCB (2,4 × 3,2 mm) zapewniają lepszą stabilność mechaniczną głowic testowych, podczas gdy cieńsze płytki PCB (1,0 × 1,6 mm) są stosowane w przenośnych testownikach, w których waga jest kluczowa.

P: Jakie wykończenie powierzchniowe jest najlepsze dla PCB ATE?
Odpowiedź: ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) jest preferowany ze względu na płaskość, odporność na korozję i kompatybilność z komponentami o cienkiej głowicy (np. 0,5 mm BGA).

P: Czy w przypadku uszkodzenia PCB ATE można je naprawić?
Odpowiedź: Możliwe są ograniczone naprawy (np. przebudowa złączy lutowych), ale konstrukcje o wysokiej gęstości z mikrovia lub zakopanymi komponentami są często nieodwracalne i wymagają wymiany.

P: Jak długo trwają PCB ATE w środowiskach przemysłowych?
Odpowiedź: Przy odpowiedniej konstrukcji i produkcji PCB ATE mają MTBF 100000-500000 godzin, trwające 10-15 lat w ciągłej pracy.

Wniosek
PCB są nieznanymi bohaterami automatycznego sprzętu testowego, umożliwiając precyzję, prędkość i niezawodność, których wymaga nowoczesna produkcja.PCB ATE muszą zapewniać wyjątkową integralność sygnału, zarządzania cieplnym i stabilności mechanicznej, które wymagają starannego doboru materiału, zaawansowanych technik projektowania i rygorystycznej kontroli jakości.
W miarę ewolucji wymogów testowych (szybsze prędkości, większa moc, mniejsze współczynniki kształtu), płytki PCB ATE będą nadal przekraczać granice technologii PCB.Zrozumienie wyjątkowych wymagań PCB ATE jest kluczem do opracowania systemów testowych spełniających standardy jakości przyszłej elektroniki.
Kluczowy wniosek: PCB ATE to wyspecjalizowane komponenty, które bezpośrednio wpływają na dokładność i niezawodność automatycznych badań.i stabilność mechaniczna, te PCB zapewniają, że produkty, na których polegają nasze produkty, od urządzeń medycznych po smartfony, spełniają najwyższe standardy jakości.