Печатные платы для автоматизированного испытательного оборудования: проектирование для точности и надежности

Изображения, создаваемые клиентами

Автоматизированное испытательное оборудование (ATE) служит основой обеспечения качества в производстве электроники, проверяя функциональность компонентов, ПХБ,и готовые устройства со скоростью и точностью, которые не могут соответствовать ручному испытаниюВ основе этих сложных систем лежит критический компонент, который часто упускается из виду: сам ПКБ. ПКБ ATE должны обеспечивать исключительную целостность сигнала, тепловую стабильность, высокую производительность и высокую производительность.и механической долговечности, чтобы обеспечить постоянную, повторяемые результаты испытаний, отличающие их от стандартных ПХБ, используемых в потребительских или промышленных приложениях.

В данном руководстве рассматриваются уникальные требования ПКБ к автоматизированному испытательному оборудованию, начиная от выбора материала и конструкционных соображений и заканчивая показателями производительности и реальными приложениями.Проверка полупроводников, автомобильной электроники или медицинских устройств, правильная конструкция ПКБ является основой точности и эффективности ATE.

Почему ATE требует специализированных ПХБ
Автоматизированное испытательное оборудование работает в строгих условиях, которые подталкивают ПХБ к их пределам:
1.Сигналы высокой скорости: системы ATE обрабатывают скорости передачи данных до 100 Гбит / с (например, в испытательных головах полупроводников), требуя ПКБ с контролируемым импедансом и минимальной потерей сигнала.
2Экстремальная точность: точность измерений (до микровольт или микроампер) не оставляет места для шума, перекрестного разговора или искажения сигнала.
3Непрерывная работа: системы ATE работают круглосуточно в производственных условиях, требуя PCB с долгосрочной надежностью (MTBF >100 000 часов).
4Тепловое напряжение: плотное расположение компонентов и высокопроизводительные приборы генерируют значительное количество тепла, что требует эффективного теплового управления для предотвращения дрейфа.
5Механическая жесткость: испытательные головки и зонды оказывают постоянную силу, что требует PCB, которые сопротивляются изгибу и поддерживают размерную стабильность.
Стандартные печатные пластинки, оптимизированные для затрат или общего назначения, не работают в этих сценариях, что подчеркивает необходимость разработки специальных конструкций ATE.

Ключевые требования к конструкции ПХБ ATE
ПХБ ATE должны сбалансировать несколько атрибутов производительности для удовлетворения требований испытаний:
1Целостность сигнала.
Сигналы с высокой скоростью и низким уровнем шума имеют решающее значение для точных измерений.
a. Контролируемая импеданс: следы проектируются до 50Ω (однокончательный) или 100Ω (дифференциальный) с допущениями до ± 3% для минимизации отражения. Это требует точного контроля ширины следа,Диэлектрическая толщина, и вес меди.
b.Материалы с низкими потерями: субстраты с низкой диэлектрической постоянной (Dk = 3,0 ∼ 3,8) и фактором рассеивания (Df < 0,002 при 10 ГГц) уменьшают ослабление сигнала.Такие материалы как Rogers RO4350B или Panasonic Megtron 6 предпочтительнее стандартного FR-4.
c. Минимизированный переходный сигнал: расстояние между трассами ≥3x ширины трассы, наземные плоскости между слоями сигнала и дифференциальное маршрутизация пар (с постоянным расстоянием) предотвращают помехи между соседними сигналами.
d.Краткие сигнальные пути: компактные макеты уменьшают длину траектории, снижая задержку и деградацию сигнала, что является критическим для высокочастотных ATE (например, тестеров устройств 5G).

2Тепловое управление
Тепло от усилителей мощности, FPGA и регуляторов напряжения может вызвать дрейф сигнала и деградацию компонентов.
a.Глубокие медные слои: медь 2 ̊4 унций (70 ̊140 мкм) в силовых самолетах и наземных самолетах улучшает теплораспределение. Для модулей высокой мощности используется медь 6 унций (203 мкм).
b.Термальные каналы: массивы каналов 0,3 ≈ 0,5 мм (10 ≈ 20 на 1 см2) передают тепло от блоков компонентов к внутренним или внешним теплоотводам, уменьшая тепловое сопротивление на 40 ≈ 60%.
c. Металлические основы субстратов: Алюминиевые или медные основы ПХБ (теплопроводность 1 ‰ 200 В/мк) используются в высокомощных модулях испытаний (например, в испытателях автомобильных батарей) для рассеивания тепла более 50 Вт.

3Механическая устойчивость
ПХБ ATE должны поддерживать точность при механическом напряжении:
a.Твердые субстраты: FR-4 с высоким Tg (Tg >170°C) или керамически наполненные ламинированные материалы минимизируют деформацию во время цикла температуры (-40°C - 85°C).
b.Укрепленные края: утолщенные края ПКБ или затвердевающие металлы предотвращают изгиб в испытательных головках, где зонды оказывают силу до 10 Н на контакт.
c. Контролируемая толщина: общая толщина ПКЖ (обычно 1,6 - 3,2 мм) с допустимыми значениями ±0,05 мм обеспечивает постоянное выравнивание зонды.

4Высокоплотные интерконнекты (HDI)
Для миниатюризации систем ATE (например, портативных тестеров) требуются следующие характеристики HDI:
a.Микровиации: 0,1−0,2 мм диаметром позволяют плотно размещать компоненты (например, упаковки BGA с диаметром 0,8 мм).
b.Стакованные каналы: вертикальные соединения между слоями уменьшают длину пути сигнала, улучшая скорость в многослойных конструкциях (8-16 слоев).
c. Прямая линия/пространство: следы, такие узкие, как 3/3 миллиметра (75/75 мкм), могут вмещать высокоупорные ИС (например, более 1000 FPGA).

Материалы для ПХБ ATE: сравнительный анализ
Выбор правильного подложки имеет решающее значение для баланса производительности и затрат:

a.Стоимость против производительности: FR-4 с высоким Tg обеспечивает баланс для большинства промышленных ATE,в то время как Rogers или Megtron материалы предназначены для высокочастотных или высокоскоростных приложений, где целостность сигнала является критической.
b.Термальные компромиссы: ПХБ из алюминиевого ядра превосходят рассеивание тепла, но имеют более высокий Dk, чем ламинаты с низкими потерями, что ограничивает их использование в высокочастотных конструкциях.

Применение ПХБ ATE в промышленности
ПХБ ATE приспособлены для удовлетворения уникальных требований различных условий испытаний:
1Испытания полупроводников
Требования: высокочастотность (до 110 ГГц), низкий уровень шума и плотность взаимосвязей для тестирования ИС, ЦС и микропроцессоров.
Характеристики печатных плат: HDI с 1216 слоями с микровиями, подложкой Rogers RO4830 (Dk = 3,38) и 50Ω контролируемым импедансом.
Пример: ПКБ станции с вафровым зондом с 100+ дифференциальными парами (100Ω) для тестирования 7нм процессовых чипов, достигающих целостности сигнала до 56 Гбит/с PAM4.

2Испытания автомобильной электроники
Требования: высокое напряжение (до 1000 В), высокий ток (50 А+) и устойчивость к маслу, влаге и вибрации.
Характеристики ПХБ: алюминиевое ядро подложки, 4 унции медные силовые плоскости и конформное покрытие (рейтинг IP67).
Пример: ПКБ для испытания систем управления аккумуляторами электромобилей (BMS) с изолированными наземными плоскостями для измерения напряжения с точностью ±1 мВ.

3Испытания медицинских приборов
Требования: низкий ток утечки (<1μA), биосовместимые материалы и EMI-защита для испытания кардиостимуляторов, компонентов МРТ и т.д.
Характеристики печатных плат: FR-4 с керамическим покрытием, поверхность без олова (ENIG) и медные защитные слои.
Пример: ПКБ для проверки устройств ЭЭГ, с разрешением сигнала 1μV и иммунитетом к шуму 50/60 Гц.

4Аэрокосмические и оборонные испытания
Требования: широкий диапазон температур (от -55 до 125°С), устойчивость к радиации и высокая надежность.
Характеристики ПХБ: полиамидные субстраты, позолоченные следы и 100% электрическое тестирование (Hi-Pot, непрерывность).
Пример: ПКБ для испытания радиолокационных модулей, выдерживающих излучение 50kRad и поддерживающих стабильность импеданса при экстремальных температурах.

Производство и контроль качества ПХБ ATE
ПХБ ATE требуют строгого изготовления и испытаний для обеспечения производительности:
a.Прецизионная гравировка: лазерная прямая визуализация (LDI) достигает допустимых допустимых отклонений ширины следа ± 0,005 мм, что является критическим для контролируемого импеданса.
b.Испытания импедантности: измерения TDR (Time-Domain Reflectometry) в 10+ точках на доске проверяют импедантность в пределах ±3% от целевой.
c. Термический цикл: более 1000 циклов при температуре от -40°C до 85°C для проверки деламинации или усталости сварного соединения.
d. рентгеновская инспекция: проверяет качество и BGA сварные соединения, обеспечивая отсутствие пустоты (> 5% пустоты отклонена).
Экологические испытания: испытания на влажность (85% RH при 85°C в течение 1000 часов) и вибрационные испытания (20G в течение 10 часов) подтверждают надежность.

Тенденции в ATE PCB дизайн
Прогресс в технологиях испытаний приводит к инновациям в ПКБ ATE:
a.5G и 6G испытания: ПХБ с возможностью mmWave (28~110GHz) с использованием материалов с низкими потерями, таких как Rogers RO5880 (Dk = 2.2) и интеграция волновода.
b. AI-Enhanced Testing: PCB с встроенными FPGA и ускорителями машинного обучения для обработки данных в режиме реального времени в смарт-тестерах.
c. Миниатюризация: гибкие печатные платы в портативных ATE (например, полевые испытатели), которые сочетают жесткие секции (для компонентов) с гибкими секциями (для подключения).
d.Устойчивость: материалы без свинца, подложки для переработки и энергоэффективные конструкции, соответствующие стандартам ЕС RoHS и EPA США.

Частые вопросы
Вопрос: Какое количество слоев обычно содержится в ПХБ ATE?
О: Большинство ПКБ ATE имеют 8 ′′ 16 слоев, причем высокочастотные или высокоплотные системы используют более 20 слоев для размещения сигналов, питания и наземных плоскостей.

Вопрос: Как толщина ПКБ влияет на производительность ATE?
Ответ: Более толстые печатные платы (2,4 - 3,2 мм) обеспечивают лучшую механическую стабильность для испытательных голов, в то время как более тонкие печатные платы (1,0 - 1,6 мм) используются в портативных тестерах, где вес является критическим.

Вопрос: Какая поверхность лучше всего подходит для ПХБ ATE?
A: ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) предпочтительнее из-за его плоскости, коррозионной устойчивости и совместимости с тонкозвуковыми компонентами (например, 0,5 мм BGA).

Вопрос: Можно ли восстановить ПХБ ATE, если они повреждены?
Ответ: Ограниченные ремонты (например, переработка сварных соединений) возможны, но конструкции с высокой плотностью с микровиями или закопанными компонентами часто неисправны и требуют замены.

Вопрос: Как долго ПХБ ATE сохраняются в промышленной среде?
A: При правильном проектировании и изготовлении ПКБ ATE имеют MTBF 100000-500000 часов, длительность 10-15 лет в непрерывной эксплуатации.

Заключение
Печатные пластинки - незаслуженные герои автоматизированного испытательного оборудования, обеспечивающие точность, скорость и надежность, требуемые современным производством.ПХБ ATE должны обеспечивать исключительную целостность сигнала, теплового управления и механической стабильности, что требует тщательного выбора материала, передовых методов проектирования и строгого контроля качества.
По мере развития требований к испытаниям (более быстрые скорости, более высокая мощность, меньшие форм-факторы) ПКБ ATE будут продолжать расширять границы технологии ПКБ.Понимание уникальных требований ПХБ ATE является ключом к разработке систем испытаний, которые отвечают стандартам качества завтрашней электроники..
Ключевой вывод: ПКБ ATE - это специализированные компоненты, которые напрямую влияют на точность и надежность автоматизированного тестирования.и механическая устойчивость, эти ПХБ гарантируют, что продукты, на которые мы полагаемся, от медицинских изделий до смартфонов, отвечают самым высоким стандартам качества.