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应用高速X射线量测仪器优化PCB信号之完整性
录入时间:2019/6/25 12:27:28
 
墨菲定律(Murphy’s Law)
当新的主线路由器(Backbone Router)/交换机制作(Switch Build)或线路卡升级(Line Card Upgrade)即将完成时,却突然出现问题,系统无法依照预定的数据传输速率运行。此时截止日却迫在眉睫,然而问题的根本原因却隐藏在一大堆电子组件中,在印刷电路板(PCB)组装前,集成电路(Integrated Circuits)都已完成速度测试,所以应该是在系统组装时存在某些问题,但问题出在哪里呢?长久以来,PCB制程中的质量控制,主要是依赖抽样测试(Coupon Tests),然而此种测试方式非常耗时,又不能代表PCB板的实际情况,更无法代表全部PCB板之特性。此时供货商如果不了解设计修改、线宽和线距变化及线路层错位等变因,则无法充分掌控以上问题对系统性能之影响。采用空板(Bare Boards)电性测试方法,不仅维护困难及成本昂贵外,其所提供的信息也非常有限。尤其进行电路板与云端服务器(Cloud Server)生产时,工程师必需投入大量成本,并期望能生产出符合设计规格的PCB产品。
 
越来越严峻的挑战
随着PCB工业全面部署28 Gbps背板(Backplane)的同时,许多云端硬件(Cloud Hardware)和PCB制造商,也已开始往下一代技术进行,部分公司也已着手进行研发再下一代的56 Gbps背板技术。与此同时,线路卡(Line Card)也将同步进行开发,而这些高速数据传输系统有着更严格的设计规范与PCB生产制程管制。当然,大部分挑战点都将落在设计端。虽然以单层布线(Single Layer Routing)的牺牲性导通孔(Sacrificial Vias)和其他技术可补偿PCB之制程能力所产生的误差,但这并非最理想或具成本效益之解决方案,此刻正是发展新一代量测仪器的最好时机,PCB制造商可藉由应用最新技术的X-ray量测仪器,来建构产品与生产制程的优化,并让电路布局设计者也能使其产品充分发挥性能,而无需担心产品间差异所造成的问题。
背钻技术的困境
高速网络的导孔短柱长度(Via Stub Length)一直是业界关注的重点。采用背钻方式去除没有讯号相连之铜短柱(Stub),以缩短延伸超出内部信号层之导通孔的短柱长度(Via Stub Length),这是一种经济有效的解决方案,并已广泛应用于高达28 Gbps网络传输速度的印刷电路板上。经由切割测试样板的横截面(Cross Section)来检查背钻后的铜短柱长度,通常可以将目标信号层的铜短柱(Stub)控制在12 mil内。但是,根据一些报导,对于56 Gbps网络传输速度的需求,需要控制的短柱(Stub)长度最大为6 mils,如果使用切割样板横截面之量测方式,无法达到精确控制,此时背板是否能够以预期的传输速度运行,也就令人怀疑了。使用时域反射(Time-Domain Reflectometry;TDR)、逐网电气测试(Net-by-Net Electrical Testing),虽然可以提供一定程度的质量检测,但这些测试是否足够呢?图1为典型的背钻短柱(Back Drill Via Stub)样品的横截面图,虽然可以运用传统方式测量背钻精度,但肯定不能快速满足最新精度需求。
 
 
图1、背钻孔短柱(Back Drill Via Stub)样品的横截面图。
 
 
其他挑战
虽然铜短柱长度(Stub Length)控制不良是高速PCB故障的主要原因,但它并不是唯一的问题。钻孔可能会钻偏位置、或钻屑掉落在导通孔中等。板角的取样测试并无法提供关于这种缺陷的有用信息。即使铜短柱长度(Stub Length Control)在规格范围内,也有可能出现其他问题,例如实际的线路阻抗(Net Impedance)可能与设计值不匹配。PCB设计是否根据可制造性进行修正?线宽和间距的变化是否大于预期?无数个小时的工程技术开发,以及新产品发布前的数周和数月都在寻找这些变化,随着数据传输速率(Data Rate)之加速,这些挑战将会持续增加。
 
未来趋势
深入了解电子产业的生态系统,就可以体认到印刷电路板的设计制造,必须能够满足最严格的客户需求。半导体前段也遇到相类似问题,现有检测系统无法检测出导致故障的变化。许多设备制造商也相继推出新型之缺陷检测与量测工具,这些工具并非用于工厂中之分析实验室,而是直接在生产线同步进行实时量测,并整合到整个制造体系中。经由生产在线同步量测,将促使半导体制造商越来越有能力达成密集的复杂线路封装,进而提高系统运行速度与降低功耗。
PCB制造中的量测
即使逐网电气测试(Net-by-Net Electrical Testing)具备成本效益,但它只是一种筛选工具,可以在完成集成电路前,筛选出不合格的电路板。表面钻孔检测虽有所帮助,但随着电路板层数的增加,整个电路板中堆栈层的厚度变化对良率的影响会越来越大。PCB结构和制程控制需要更严格的量测工具,其中使用穿透式量测解决方案(Transmissive Metrology Solution),可以穿透电路板堆栈层,检测出不合格的铜短柱长度或背钻对位不准所造成的钻屑掉落至导通孔中。在高速印刷电路板的整个区域内,使用穿透式量测工具可以检测出实际信号层的位置(Signal Layer Position),以达到更精确的背钻对位(Alignment for  Back Drill)。如图2所示为多层印刷电路板使用穿透式X射线量测仪器之照片,它可对各个信号层进行动态检测(Dynamic Detection)。
 
 
 
图2:多层印刷电路板使用穿透式X射线量测仪器之照片,它可对各个信号层进行动态检测。
 
高速X射线量测仪器(High Speed X-ray Metrology)
    X射线量测工具应用于PCB生产制造中已有很长一段时间。这些X射线量测工具速度虽快,但分辨率(Resolution)不高,无法满足上述需求。部分PCB制造商拥有高分辨率X射线系统,以进行故障检测分析(Failure Analysis),但是检测分析速度又太慢,不仅无法为单一PCB板上成千上万的线路提供有用数据,更别说对于每天生产数以百计PCB板的生产线了。很幸运地,一种新型X射线量测技术正在开始导入市场,它同时具备高速度(High Speed)和高分辨率(High Resolution)之性能,结合先进影像分析(Advanced Image Analysis)、机器学习软件(Machine Learning Software),一种高速X射线时代正向我们迈进!
 
对PCB制造商意味着什么?
1.可以生产出符合规格的铜短柱(Stub): 除了有测试数据外,在出货前可作100%快速与准确量测网络导通孔(Net Via)。
2.可以解决背钻钻偏的问题: 背钻钻偏是一种严重的问题,可能会在同一块PCB板上随机出现。随着层数增加,背钻对准会变得更加困难。同时,密集的线路设计限制了背钻之钻头尺寸,使得设计误差容许度大打折扣。
3.对于56 Gbps和更高传输速度的电路板,不再有铜短柱长度缩短之限制: 最新技术对短柱长度限制大约为7 mils。对PCB行业而言,继续减小短柱长度是非常重要的技术。高速X射线量测工具是目前唯一可行的办法,可以量测信号层在PCB板堆栈层中的位置,并把相关信息加入钻孔设定参数中,进而分别钻孔定位与设定好每个钻孔深度。
 
满足客户需求
1. 缩短上市时程:
高速X射线是确认电路板生产质量与设计规格是否相符的唯一方法。在新产品导入时,高速X射线可在短周期内,快速找出任何在性能上所发生问题之原因。
2.更多设计误差容许度:
设计人员可以优化PCB板成本和提升其性能,而不是使用设计误差容许度来优化制造不良之电路板。
3.业界信誉:
不良品对每个人来说都是恶梦,但可以藉由PCB制造过程中之严格把关达到良好控制,进而确保产品合乎设计规格。
 
结论
电子工业一大特点就是尺寸与性能会持续改进,随着工业不断向前发展,已经出现许多变化,若持续固守旧有的生产型态,将无法面对新的挑战。处于高速网络应用的时代,电路板质量必需能达到渐趋严格之规格需求,如此才能从中获得成长。高速X射线量测工具可作为信号层的轮廓地图(Contour Mapping),以达到更精密的定位和满足各种测试规格,进而符合其他设计之相关特性需求。
 
 
 
原作者:
Scott Jewler:SVXR(Silicon Valley X-ray)联合创始人。
翻译者:
许明哲:弘塑科技(Grand Process Technology Corporation; GPTC)工程师。
杨铭和:佳霖科技(Challentech International Corporation; CIC)副总经理。
章绢明:佳霖科技经理。
原文出处:Scott Jewler, PCB Signal Integrity Optimization Using X-ray Metrology, the PCB Magazine, October 2017, Page 32~36.
本文已取得原文翻译权合法授权。
 
 
 
 

 

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