Reverzní inženýrství HDI PCB pro výrobu

Reverzní inženýrství desek plošných spojů s vysokou hustotou zvládá technicky nejnáročnější desky v elektronickém průmyslu: vícevrstvé desky HDI (High Density Interconnect) s mikroprochodkami, slepými a zapuštěnými prochodkami, jemné BGA součástky s roztečí kuliček 0.4 mm nebo 0.3 mm, šířkou stop pod 75 µm a počtem vrstev 10–20+. Tyto desky se nacházejí v síťových zařízeních, lékařských zobrazovacích zařízeních, letecké elektronice, průmyslových řídicích systémech a obranné elektronice – platformách s kritickými požadavky na platformy, kde musí být náhradní desky k dispozici dlouho poté, co původní výrobce ukončil výrobu.

Když kritické desky HDI dosáhnou konce životnosti a podpora OEM již není k dispozici, organizace čelí volbě: vyřadit celý systém nebo desku rekonstruovat na základě fyzické analýzy. Reverzní inženýrství PCB poskytuje legitimní cestu k výrobě náhradních desek pro údržbu starších systémů, správu zastaralosti, analýzu poruch a kvalifikaci druhého zdroje – to vše v rámci zákonů o duševním vlastnictví a smluvních závazků.

Výzva reverzního inženýrství se dramaticky zvyšuje s hustotou desky. Standardní čtyřvrstvá deska s roztečí vodičů 0.2 mm a QFP součástkami s roztečí 0.8 mm může být reverzně navržena pomocí optického skenování a základního rentgenu. Deska HDI s roztečí vodičů 0.05 mm, mikrootvory 0.075 mm a BGA s roztečí 0.3 mm vyžaduje CT skenování, specializovaný zobrazovací software a inženýry se zkušenostmi s pokročilými výrobními procesy. Rozpětí pro chybu se úměrně zmenšuje – chyba polohování 0.025 mm na standardní desce je neviditelná, ale na desce HDI s roztečí vodičů 0.1 mm způsobí stejná chyba zkrat.

Tato příručka se zabývá specializovanou metodologií reverzního inženýrství desek plošných spojů s technologií HDI, od zobrazovací technologie, přes rekonstrukci mikrootvorů až po validaci výroby.

1. Co dělá desky plošných spojů s vysokou hustotou nejobtížnějšími pro zpětné inženýrství

1.1 Velikost prvku vs. rozlišení obrazu

1.2 Problém složitosti stackupu

Desky HDI používají sekvenční laminaci – jsou vyráběny ve fázích, přičemž mikrootvory jsou v každé fázi vyvrtány laserem, namísto vrtání a pokovování v jednom průchodu jako u standardních desek. Tím se vytvářejí struktury otvorů, které spojují specifické páry vrstev (vrstva 1–2, vrstva 2–3), spíše než aby pronikaly celou deskou. Reverzní inženýr musí určit nejen to, kde se každý otvor nachází, ale i které konkrétní vrstvy spojuje – toto určení vyžaduje CT skenování nebo destruktivní řezání.

2. Vlastnosti technologie HDI a její výzvy v oblasti obnovitelných zdrojů energie

2.1 Mikroprůchodky

Mikrootvory (průměr vrtáku ≤0.15 mm) jsou určujícím znakem HDI PCBJsou vrtané laserem (ne mechanicky) a spojují sousední páry vrstev. Mezi typy patří:

• Slepé mikrootvory: Spojuje vnější vrstvu pouze s přilehlou vnitřní vrstvou. Viditelná z jednoho povrchu jako malá ploška bez odpovídajícího prvku na opačném povrchu.
• Stohované mikroprůchodky: Více slepých propojení naskládaných na sobě, které spojují tři nebo více vrstev přes stejnou pozici XY. Každé propojení spojuje jeden pár vrstev; propojení celého rozsahu vrstev
• Schované mikrootvory: Podobná funkce jako u vrstvených prostupů, ale s odsazenou polohou v každé vrstvě, čímž vzniká „schodišťový“ vzor. Obtížnější sledovat, protože prostup se při každém přechodu vrstvy posouvá.

2.2 Propojovací ploška

Součástky BGA s jemnou roztečí vyžadují technologii via-in-pad – průchodky umístěné přímo v kontaktní plošce součástky, nikoli odsazené do strany. Tyto průchodky jsou obvykle vyplněny mědí nebo epoxidem a pokoveny, aby se vytvořil plochý povrch plošky pro pájení BGA. Reverzní inženýr musí identifikovat struktury via-in-pad (často neviditelné z povrchu po vyplnění a pokovení), aby správně namapoval konektivitu vrstev pod součástkami BGA.

2.3 Vestavěné pasivní prvky

Některé desky HDI obsahují pasivní součástky (tenkovrstvé rezistory, kondenzátory) zabudované do substrátu desky. Tyto součástky jsou z povrchu neviditelné a lze je detekovat pouze elektrickým měřením (neočekávaný odpor nebo kapacita mezi body, které se na povrchu jeví jako přímo propojené) nebo CT skenováním s vysokým rozlišením.

3. Metody zobrazování a zachycování pro desky HDI

3.1 CT skenování: Nezbytný nástroj pro HDI

CT (počítačová tomografie) je pro reverzní inženýrství HDI prakticky nezbytné. Standardní 2D rentgen nedokáže rozlišit jednotlivé vrstvy na 12vrstvé desce s mikrootvory – všechny vrstvy jsou v obraze překrývající se. CT vytváří plný 3D objem, který lze „rozřezat“ v každé hloubce vrstvy a odhalit:

• Měděné vzory na každé jednotlivé vrstvě
• Umístění mikroproudí a specifické vrstvy, které propojují
• Struktury Via-in-pad pod BGA komponenty
• Směrování trasy na vnitřních vrstvách, které nejsou viditelné z povrchu

Požadavky na rozlišení: CT skeny pro desky HDI vyžadují voxely o velikosti 5–15 µm pro rozlišení stop o velikosti 0.050–0.075 mm. To omezuje maximální plochu desky, kterou lze naskenovat v jednom průchodu – velké desky mohou vyžadovat více překrývajících se skenů, které se spojí dohromady.

3.2 Optické zobrazování s vysokým rozlišením

Po odstranění součástek jsou vnější vrstvy zachyceny ve vysokém rozlišení pomocí digitálních mikroskopických kamer (5–10 µm na pixel). Zobrazovací systém musí zvládat:

• Jemné rozteče kontaktních plošek s prvky 0.050 mm
• Směrování trasy mezi BGA ploškami na úrovni land patch vzoru
• Registrace pájecí masky (důležitá pro ověření rozměrů odkrytých kontaktních plošek)

3.3 Řízené řezání

Pro ověření vrstvení: analýza mikrořezů na více místech napříč deskou pro měření:

• Celková tloušťka desky a tloušťky jednotlivých vrstev
• Hmotnost mědi v každé vrstvě
• Poměr stran mikrovia a kvalita pokovování
• Identifikace dielektrických materiálů (FR4, materiály s nízkými ztrátami, jako je Megtron nebo IS400)

4. Rekonstrukce rozvržení HDI: Mikroprochodky, sekvenční laminace a stackup

4.1 Rekonstrukce stackupu

Skládání desky HDI je výrazně složitější než u standardní desky:

• Jádrové vrstvy (mechanicky provrtané průchozí otvory) vs. nanášené vrstvy (laserem provrtané mikrootvory)
• Sekvenční laminační sekvence: které vrstvy se laminují v každé fázi
• Typ a tloušťka dielektrického materiálu v místě každého přechodu mezi vrstvami (může se lišit mezi jádrovými a navazujícími vrstvami)
• Hmotnost mědi v každé vrstvě (často se liší: těžší měď na výkonových vrstvách, lehčí na signálových vrstvách)

Přesná rekonstrukce vrstev je pro výpočty impedance zásadní. Desky HDI mají běžně impedanční stopy (50 Ω jednoduchý konec, 100 Ω diferenciální) na více vrstvách – nesprávná dielektrická tloušťka ve specifikaci vrstev povede k nesprávné impedanci.

4.2 Protokol mapování mikrovií

Pomocí dat CT skenování je každá mikroprocesorová spirála namapována:

• Pozice XY
• Propojená dvojice vrstev (Vrstva 1–2? Vrstva 2–3? Skrz všechny vrstvy?)
• Typ průchodu (slepý, zakopaný, vrstvený, střídavý, průchozí)
• Průměr vrtáku
• Průměr podložky na každé připojené vrstvě

U složité desky HDI může počet mikroproudů dosáhnout několika tisíc – každý z nich vyžaduje správné přiřazení vrstev. Toto je časově nejnáročnější aspekt reverzního inženýrství HDI.

4.3 Rekonstrukce rozvětvení BGA

Rozvětvení BGA – schéma směrování tras, které spojuje BGA kontakty s propojovacími otvory a směrem ven k vrstvám směrování signálu na desce – je geometricky nejvíce omezenou oblastí na desce HDI. Při rozteči BGA 0.4 mm musí být trasy směrovány mezi kontakty s roztečí 0.100 mm – s ponecháním šířky trasy přibližně 0.050 mm s mezerou 0.025 mm na každé straně. Tyto rozměry musí být zachyceny s odpovídající přesností.

5. Analýza a rekonstrukce BGA součástek

5.1 Určení mapy míčů

BGA komponenty mají svá spojení na spodní straně, která je po instalaci neviditelná. Mapa kuliček (které kuličky jsou spojeny a které nespojené) musí být určena z:

• Datový list součástky (pokud je identifikován BGA IC)
• Rentgenové snímkování instalovaného komponentu (zobrazuje rozložení kuliček a spojení destiček)
• Kontrola kontaktních plošek po vyjmutí (ukazuje, které kontaktní plošky mají zbytky pájky, což indikuje připojené kuličky, oproti těm, které jsou čisté, což indikuje nespojené polohy)

5.2 Přesnost stopy BGA

BGA stopy vyžadují při rekonstrukci nejvyšší polohovou přesnost:

• Rozteč mezi středy destiček musí odpovídat rozteči kuliček součásti s tolerancí ±0.025 mm
• Průměr pájecí plošky musí být správný pro spolehlivé vytvoření pájeného spoje (obvykle 0.20–0.35 mm pro BGA s roztečí 0.4–0.5 mm)
• Otvor pájecí masky musí zajistit správné odkrytí kontaktních plošek bez přemostění se sousedními kontaktními ploškami.
• Pozice propojovacích otvorů v kontaktní plošce musí být přesně vycentrovány v kontaktní plošce (odsazené propojovací otvory snižují objem pájky a spolehlivost spoje).

6. Ověření a výroba náhradních desek HDI

6.1 Ověření návrhových pravidel

Rekonstruované rozvržení HDI musí projít testem DRC podle profilu schopností HDI cílového výrobce:

• Minimální šířka a rozteč stop (specifické pro výrobce laserového vrtacího a zobrazovacího zařízení)
• Meze poměru stran mikrootvorů (obvykle ≤1:1 pro standardní laserové mikrootvory)
• Stohování přes limity (maximální počet stohovaných vrstev závisí na pokovovací schopnosti)
• Požadavky na prstencový kroužek pro mikroprůchodky (pevnější než pro mechanické průchodky)

6.2 Ověření impedance

U desek HDI s řízenou impedancí musí rekonstruované rozměry vrstvení a trasování produkovat správnou impedanci. To se ověřuje pomocí:

• Výpočet 2D řešiče pole s využitím rekonstruovaného stackupu
• Měření TDR (časově-doménová reflektometrie) na vyrobeném prototypu
• Porovnání vypočítané a naměřené impedance (typická tolerance: ±10 %)

6.3 Výrobní aspekty

Desky HDI vyžadují specializované výrobní kapacity – ne každý výrobce desek plošných spojů je dokáže vyrobit:

• Laserové vrtací zařízení pro mikrootvory
• Možnost sekvenční laminace
• Vysoce registrační zobrazování pro jemné stopy
• Výplň a planarizace průchodů pro průchody v podložce

Výběr výrobního závodu musí odpovídat technologickým požadavkům desky – pokus o výrobu návrhu HDI ve standardní dílně povede k výrobním selháním a problémům s kvalitou.

7. Služby reverzního inženýrství desek plošných spojů HDI od společnosti Highleap a shoda s IP

Highleap Electronics poskytuje specializované reverzní inženýrství HDI s technologií zobrazování, technickými znalostmi a výrobními kapacitami potřebnými pro desky s vysokou hustotou:

• Možnosti CT skenování: Plná 3D rekonstrukce desky s rozlišením 5–15 µm pro mapování mikrootvorů a zachycení vnitřních vrstev
• Odborné znalosti rozvržení HDI: Inženýři se zkušenostmi se sekvenčním vrstvením laminace, směrováním mikroproudů a Pravidla návrhu HDI
• Rekonstrukce BGA s jemnou roztečí: Přesnost kontaktů ±0.025 mm pro BGA součástky s roztečí 0.3–0.5 mm a via-in kontakty
• Rekonstrukce řízená impedancí: Specifikace stackupu s výpočty impedance ověřenými TDR na vyrobených prototypech
• Výroba HDI: V domě Výroba a montáž HDI s laserovým vrtáním, sekvenční laminací a možností vyplňování otvorů
• Dokončete ověření: DRC, ověření impedance, elektrické zkoušky, Rentgenová kontrola osazování BGA a funkční validace

Typické zakázky

• Obrana a letectví: Náhradní desky pro starší avioniku a radarové systémy, u kterých byla ukončena výroba OEM a programy DMSMS (Diminishing Manufacturing Sources and Material Shortages) vyžadují ekvivalenty s ohledem na tvar a funkci.
• Lékařské vybavení: Náhradní desky HDI pro zobrazovací systémy, monitory pacientů a diagnostické přístroje, které musí zůstat v provozu i po skončení původní doby podpory
• Průmyslová infrastruktura: Řídicí desky pro výrobní linky, napájecí systémy a telekomunikační zařízení s očekávanou životností 20+ let
• Analýza selhání: Vyšetřování hlavní příčiny vyžadující úplnou rekonstrukci rozvržení za účelem identifikace konstrukčních nebo výrobních vad v sestavách HDI, které selhaly v provozu.

Žádost o cenovou nabídku na rekonstrukci desky HDI