Вероятностный подход к оценке качества проведения операции фотолитографии при производстве печатных плат

Введение. Тенденции к миниатюризации электронных устройств в совокупности с увеличением их вычислительных мощностей приводят к повышению плотности трассировки печатных узлов и уменьшению размеров элементов проводящего рисунка: дорожек и зазоров между ними, контактных площадок компонентов и переходных отверстий. Увеличение плотности межсоединений – причина снижения надежности устройств, а также роста брака при производстве. Актуальной задачей является создание способов, которые позволят количественно оценить возможность изготовления заготовок или печатных плат, соответствующих требованиям приемки, в зависимости от параметров их конструкции и характеристик технологического процесса. Поскольку существенную долю дефектов вносит процесс фотолитографии, особо важной является априорная оценка степени дефектности перед изготовлением и определение на основе оценки способов для уменьшения количества дефектов.

Цель работы. Разработка и экспериментальная проверка математической модели вероятности выхода годных заготовок печатных плат для процесса фотолитографии.

Материалы и методы. Проведен анализ причин возникновения дефектов в процессе фотолитографии, на основе которого определены технологические параметры, позволяющие количественно охарактеризовать величину дефекта: искажение размеров проводящего рисунка и неровность края проводника. Предложена математическая модель, описывающая вероятность бездефектного изготовления заготовки. В качестве основных оцениваемых конструкционных параметров печатной платы выбрана ширина проводника и размер зазора между проводниками. Используемые в модели требования к печатной плате определены на основе международных стандартов по их проектированию и приемке.

Результаты. Разработана методика экспериментальной проверки предложенной вероятностной модели с помощью цифровой обработки и статистического анализа изображений фотошаблонов и заготовок. Подтверждена адекватность модели для лабораторной производственной линии. Для исследуемой операции определены зависимости технологических параметров от проектируемой ширины проводника и проведена корректировка процесса, позволившая увеличить вероятность выхода годных заготовок.

Заключение. Результаты расчета вероятности, полученные с помощью модели, могут служить индикатором необходимости внесения изменений в конструкцию печатного узла или элементом оценки рисков и размера резервов, требуемых для производства образцов высокой сложности для предприятия-изготовителя.

1. Influence of Nonfunctional Contact Pads on Printed-Circuit Performance / S. V. Vantsov, F. V. Vasil’ev, A. M. Medvedev, O. V. Khomutskaya // Russian Engineering Research. 2020. Vol. 40, iss. 5. P. 442–445. doi: 10.3103/S1068798X20050202

2. Ванцов С., Хомутская О., Лийн Е. Влияние конструктивных параметров на плоскую деформацию печатных плат // Электроника: наука, технология, бизнес. 2023. № 8 (229). С. 108–112. doi: 10.22184/1992-4178.2023.229.8.108.112

3. Potentials for Improvement of Resource Efficiency in Printed Circuit Board Manufacturing: A Case Study Based on Material Flow Cost Accounting / Y.-X. Wang, C.-H. Kuo, R. Song, A. H. Hu, S.-S. Zhang // Sustainability. 2017. Vol. 9, № 6. Art. № 907. 16 p. doi: 10.3390/su9060907

4. Ванцов С. В., Хомутская О. В., Лийн Е. А. Новые возможности автоматизации технологических процессов в приборостроении // Вестн. МГТУ "Станкин". 2023. № 3 (66). С. 129–136. doi: 10.47617/2072-3172_2023_3_129

5. Investigating the Solder Mask Defects Impact on Leakage Current on PCB under Condensing Humidity Conditions / Z. Kaichen, S.-B. Amir, I. Francesco, R.- C. Amol, H. Jørgen, M.-R. Jyothsna, B. Sajjad, A. Rajan // Microelectronics Reliability. 2023. Vol. 150, iss. 4. Art. № 115210. doi: 10.1016/J.Microrel.2023.115210

6. Cherkasov K. V., Meshkov S. A., Makeev M. O. Estimation of Influence of Technological Factors on Technological Variation of Assignment Indicators of Frequency Mixers with Resonant-Tunnel Diodes as Nonlinear Elements // Intern. Conf. on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). Sochi, 20–24 May, 2024. P. 1077–1082. doi: 10.1109/ICIEAM60818.2024. 10553749

7. Reliability Prediction of AlGaAs Resonant-Tunneling Diodes and Nonlinear Converters of Microwave Radio Signals Based on Them / S. A. Kozubnyak, S. A. Meshkov, O. S. Naraikin, E. N. Soboleva, V. D. Shashurin // Nanotechnologies in Russia. 2017. Vol. 12, № 7–8. P. 360–368. doi: 10.1134/S1995078017040127

8. Niknafs H., Faridkhah M., Kazemi C. Analytical Approach to Product Reliability Estimation Based on Life Test Data for an Automotive Clutch System // Mechanics and Mechanical Engineering. 2018. Vol. 22, № 4. P. 845–863. doi: 10.2478/mme-2018-0065

9. Engineering and Analytical Method for Estimating the Parametric Reliability of Products by a Low Number of Tests / A. G. Amosov, V. A. Golikov, M. V. Kapitonov, F. V. Vasilyev, O. K. Rozhdestvensky // Inventions. 2022. Vol. 7, № 1. Art. № 24. doi: 10.3390/inventions7010024

10. Data-driven simulation-based decision support system for resource allocation in industry 4.0 and smart manufacturing / M. Ehsan, F. Masood, T. Madjid, G. Morteza, H. C. Ng. Amos // J. of Manufacturing Systems. 2024. Vol. 72. P. 287–307. doi: 10.1016/j.jmsy.2023.11.019

11. IPC-6012B. Qualification and Performance Specification for Rigid Printed Boards. IPC Intern. Bannockburn, Ill., 2007. 56 p.

12. IPC–A–600G; Acceptability of Printed Boards. IPC Intern. Bannockburn, Ill., 2004, 140 p.

13. Korobkov M. A., Vasilyev F. V., Khomutskaya O. V. Analytical Model for Evaluating the Reliability of Vias and Plated Through-Hole Pads on PCBs // Inventions. 2023. Vol. 8, № 3. Art. № 77. doi: 10.3390/inventions8030077

14. The Method of Automated Evaluation of the Deformation of the Printed Circuit Board / O. V. Khomutskaya, A. M. Medvedev, M. A. Korobkov, S. V. Vancov // 2021 Intern. Conf. on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS). Ufa, 27–29 Oct. 2021. Ufa State Aviation Technical University. P. 510–512. doi: 10.1109/ICOECS52783.2021.9657420

15. Printed Circuits Handbook. Ed. by C. F. Coombs Jr. 6th Ed. New York: McGraw-Hill, 2008. 1633 p. doi: 10.1036/0071467343

16. Transmission Step Wedges. URL: https://www.stouffer.net/TransPage.htm (дата обращения 14.11.2024).

17. Исрафилов Х. С. Исследование методов бинаризации изображений // Вестн. науки и образования. 2017. Т. 2, № 6 (30). С. 43–50.

18. Исследование алгоритмов предобработки изображений для повышения эффективности распознавания медицинских снимков / П. А. Шагалова, А. Д. Ерофеева, М. М. Орлова, Ю. С. Чистякова, Э. С. Соколова // Тр. НГТУ им. Р. Е. Алексеева. 2020. № 1 (128). С. 25–32.

19. Казбеков А. В., Максимов Н. А. Методы сравнения контуров в задачах распознавания образов // Науч. вестн. Моск. гос. техн. ун-та гражданской авиации. 2012. № 185. С. 37–42.

20. Drezner Z., Turel O., Zerom D. A Modified Kolmogorov-Smirnov Test for Normality // Communications in Statistics – Simulation and Computation. 2008. Vol. 39, iss. 4. P. 693–704. doi: 10.1080/03610911003615816