자동 테스트 장비용 PCB: 정밀성과 신뢰성을 위한 설계

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자동 테스트 장비 (ATE)는 전자 제조에서 품질 보증의 중추 역할을하여 수동 테스트가 일치 할 수없는 속도와 정확도로 구성 요소, PCB 및 완성 된 장치의 기능을 확인합니다. 이러한 정교한 시스템의 핵심에는 PCB 자체가 간과되는 중요한 구성 요소가 있습니다. ATE PCB는 탁월한 신호 무결성, 열 안정성 및 기계적 내구성을 제공하여 일관되고 반복 가능한 테스트 결과를 보장해야합니다. 이는 소비자 또는 산업 응용 분야에 사용되는 표준 PCB와 구별됩니다.

이 안내서는 재료 선택 및 설계 고려 사항에서 성능 메트릭 및 실제 응용 프로그램에 이르기까지 자동 테스트 장비에 대한 PCB의 고유 한 요구 사항을 살펴 봅니다. 반도체, 자동차 전자 장치 또는 의료 기기를 테스트하든 올바른 PCB 설계는 정확도와 효율성을 측정하기위한 기본입니다.

ATE가 전문 PCB를 요구하는 이유
자동화 된 테스트 장비는 PCB를 한계로 밀어 넣는 엄격한 조건에서 작동합니다.
1. 고속 신호 : ATE 시스템은 최대 100GBPS (예 : 반도체 테스트 헤드)의 데이터 속도를 처리하여 제어 된 임피던스 및 최소 신호 손실을 갖는 PCB가 필요합니다.
2. Extreme Precision : 측정 정확도 (마이크로 볼트 또는 마이크로 암프까지)는 노이즈, 크로스 토크 또는 신호 왜곡을위한 공간을 남기지 않습니다.
3. 연속 작동 : ATE 시스템은 제조 환경에서 24/7을 실행하여 장기 신뢰성을 갖는 PCB를 요구합니다 (MTBF> 100,000 시간).
4. 신경 스트레스 : 조밀 한 구성 요소 레이아웃과 고출력 계측은 상당한 열을 생성하여 드리프트를 방지하기 위해 효과적인 열 관리가 필요합니다.
5. 기계적 강성 : 테스트 헤드 및 프로브는 일정한 힘을 발휘하여 warpage에 저항하고 치수 안정성을 유지하는 PCB가 필요합니다.
이러한 시나리오에서 비용 또는 일반 목적 사용을 위해 최적화 된 표준 PCB는 ATE 특정 설계의 필요성을 강조합니다.

ATE PCB에 대한 주요 설계 요구 사항
ATE PCB는 테스트 요구를 충족시키기 위해 여러 성능 속성의 균형을 유지해야합니다.
1. 신호 무결성
고속, 저음 신호는 정확한 측정에 중요합니다. 설계 전략에는 다음이 포함됩니다.
A. 제어 임피던스 : 트레이스는 반사를 최소화하기 위해 공차가 ± 3%로 단단한 50Ω (단일 엔드) 또는 100Ω (차동)로 설계됩니다. 이를 위해서는 미량 폭, 유전체 두께 및 구리 중량의 정확한 제어가 필요합니다.
B. low-loss 재료 : 유전 상수가 낮은 기판 (DK = 3.0–3.8) 및 소산 계수 (10GHz에서 DF <0.002)는 신호 감쇠를 감소시킵니다. Rogers RO4350B 또는 Panasonic Megtron 6과 같은 재료는 표준 FR-4보다 선호됩니다.
C. Minimized Crosstalk : 트레이스 간격 ≥3 배의 트레이스 폭, 신호 레이어 사이의 지상 평면 및 차동 쌍 라우팅 (일정한 간격 포함)은 인접한 신호 사이의 간섭을 방지합니다.
D.Short 신호 경로 : 소형 레이아웃은 추적 길이를 줄이고 지연 및 신호 저하를 줄입니다.

2. 열 관리
전력 증폭기, FPGA 및 전압 조정기의 열은 신호 드리프트 및 구성 요소 분해를 유발할 수 있습니다. ATE PCBS는 다음과 함께 다음과 같이합니다.
A. 두께 구리 층 : 파워 평면 및 지상 비행기의 2-4 온스 (70–140μm) 구리는 열 확산을 향상시킵니다. 고출력 모듈의 경우 6oz 구리 (203μm)가 사용됩니다.
B. 분열 VIAS : 0.3–0.5mm VIA (cm² 당 10–20) 배열은 구성 요소 패드에서 내부 또는 외부 방열판으로 열을 전달하여 열 저항이 40–60%감소합니다.
C. 메탈 코어 기판 : 알루미늄 또는 구리 코어 PCB (열 전도도 1–200 W/M · K)는 고전력 테스트 모듈 (예 : 자동차 배터리 테스터)에 50W+의 열을 소산하는 데 사용됩니다.

3. 기계적 안정성
ATE PCB는 기계적 스트레스 하에서 정밀도를 유지해야합니다.
A.Rigid 기판 : High-TG FR-4 (TG> 170 ° C) 또는 세라믹으로 채워진 라미네이트는 온도 사이클링 (-40 ° C ~ 85 ° C) 동안 warpage를 최소화합니다.
B. 강화 가장자리 : 두꺼운 PCB 가장자리 또는 금속 스티프너는 테스트 헤드의 굽힘을 방지하며, 여기서 프로브는 접촉 당 최대 10n의 힘을 발휘합니다.
C. 제어 두께 : 공차 ± 0.05mm의 총 PCB 두께 (일반적으로 1.6–3.2mm)는 일관된 프로브 정렬을 보장합니다.

4. 고밀도 상호 연결 (HDI)
ATE 시스템의 소형화 (예 : 휴대용 테스터)는 HDI 기능이 필요합니다.
A.Microvias : 0.1–0.2mm 직경 VIA는 밀도가 높은 구성 요소 배치 (예 : 0.8mm 피치의 BGA 패키지)를 가능하게합니다.
B. 스토킹 VIAS : 층 간의 수직 연결은 신호 경로 길이를 줄여 다층 설계 (8-16 층)의 속도를 향상시킵니다.
C. 파인 라인/공간 : 3/3 밀 (75/75μm)만큼 좁은 흔적은 높은 핀 카운트 IC (예 : 1000+ 핀 FPGA)를 수용합니다.

ATE PCB를위한 재료 : 비교 분석
올바른 기판을 선택하는 것은 성능 및 비용의 균형을 맞추는 데 중요합니다.

A. 코스트 대 성능 : High-TG FR-4는 대부분의 산업용 균형에 균형을 맞추고 Rogers 또는 Megtron 재료는 신호 무결성이 중요한 고주파 또는 고속 응용 프로그램을 위해 예약되어 있습니다.
B. 청각 절충 : 알루미늄 코어 PCB는 열 소산에서 뛰어나지 만 저 손실 라미네이트보다 DK가 높기 때문에 고주파 설계에서의 사용을 제한합니다.

산업별 PCB 애플리케이션을 ATE
ATE PCB는 다양한 테스트 환경의 고유 한 요구에 맞게 조정됩니다.
1. 반도체 테스트
요구 사항 : IC, SOC 및 마이크로 프로세서 테스트를위한 고주파 (최대 110GHz), 저음 및 조밀 한 상호 연결.
PCB 기능 : Microvias가있는 12–16 층 HDI, Rogers RO4830 기판 (DK = 3.38) 및 50Ω 제어 임피던스.
예 : 7NM 공정 칩을 테스트하기 위해 100 개 이상의 차동 쌍 (100Ω)이있는 웨이퍼 프로브 스테이션 PCB, 최대 56Gbps PAM4의 신호 무결성을 달성합니다.

2. 자동차 전자 테스트
요구 사항 : 고전압 (최대 1000V), 고전류 (50a+) 및 오일, 수분 및 진동에 대한 저항.
PCB 기능 : 알루미늄 코어 기판, 4oz 구리 파워 평면 및 컨 포멀 코팅 (IP67 등급).
예 : ± 1MV 정확도로 전압을 측정하기 위해 분리 된지면이있는 EV 배터리 관리 시스템 (BMS)을 테스트하기위한 PCB.

3. 의료 기기 테스트
요구 사항 : 누출 전류 (<1μa), 생체 적합성 재료 및 페이스 페이스 메이커, MRI 구성 요소 등을위한 EMI 차폐 등
PCB 특징 : 세라믹으로 채워진 FR-4, 주석이없는 표면 마감 (ENIG) 및 구리 차폐 층.
예 : 1μV 신호 분해능과 50/60Hz 노이즈에 대한 면역력이있는 EEG 장치 검증을위한 테스트 고정 장치 PCB.

4. 항공 우주 및 방어 시험
요구 사항 : 넓은 온도 범위 (-55 ° C ~ 125 ° C), 방사선 저항 및 높은 신뢰성.
PCB 특징 : 폴리이 미드 기판, 금도금 트레이스 및 100% 전기 테스트 (HI-POT, 연속성).
예 : 레이더 모듈 테스트를위한 PCB, 50krad 방사선을 견딜 수 있으며 온도에 걸쳐 임피던스 안정성을 유지합니다.

ATE PCB의 제조 및 품질 관리
ATE PCB는 성능을 보장하기 위해 엄격한 제조 및 테스트가 필요합니다.
A. Precision Etching : LDI (Laser Direct Imaging)는 제어 된 임피던스에 중요하며 ± 0.005mm의 미량 폭 공차를 달성합니다.
B. impedance 테스트 : 보드 당 10 점 이상에서 TDR (Time-Domain Reflexometry) 측정은 타겟의 ± 3% 내에서 임피던스를 확인합니다.
C. 종 사이클링 : 파괴 또는 솔더 관절 피로를 테스트하기 위해 -40 ° C ~ 85 ° C의 1,000 회 이상.
DX-RAY 검사 : 품질 및 BGA 솔더 조인트를 통해 검증되어 공극이 없도록하십시오 (> 5% 공극 영역이 거부됨).
E.Environmental Testing : 습도 테스트 (85 ℃에서 1,000 시간 동안 85% RH) 및 진동 테스트 (10 시간 동안 20g)는 신뢰성을 검증합니다.

ATE PCB 디자인의 트렌드
테스트 기술의 발전은 ATE PCB의 혁신을 주도하고 있습니다.
A.5G 및 6G 테스트 : Rogers RO5880 (DK = 2.2) 및 도파관 통합과 같은 저 손실 재료를 사용하는 MMWAVE (28–110GHz) 기능이있는 PCB.
B.AI- 강화 테스트 : 스마트 테스터의 실시간 데이터 처리를위한 내장 된 FPGA 및 기계 학습 가속기가 포함 된 PCB.
C. 관리 : 휴대용 ATE (예 : 현장 테스터)의 유연한 PCB (예 : 구성 요소의 경우)를 유연한 섹션 (연결)과 결합합니다.
D. Sustainability : EU ROH 및 US EPA 표준을 충족시키기위한 무용 재료, 재활용 가능한 기판 및 에너지 효율적인 설계.

FAQ
Q : ATE PCB의 일반적인 레이어 수는 얼마입니까?
A : 대부분의 ATE PCB는 8-16 층의 범위이며, 신호, 전력 ​​및 지상 비행기를 수용하기 위해 20 개 이상의 층을 사용하는 고주파 또는 고밀도 시스템이 있습니다.

Q : PCB 두께는 성능에 어떤 영향을 미칩니 까?
A : 두꺼운 PCB (2.4–3.2mm)는 테스트 헤드에 더 나은 기계적 안정성을 제공하는 반면, 얇은 PCB (1.0–1.6mm)는 무게가 중요한 휴대용 테스터에서 사용됩니다.

Q : ATE PCB에 가장 적합한 표면 마감은 무엇입니까?
A : Enig (Electroless Nickel Immersion Gold)는 평탄도, 부식 저항 및 미세 피치 구성 요소와의 호환성 (예 : 0.5mm BGA)과 선호됩니다.

Q : 손상되면 ATE PCB를 수리 할 수 ​​있습니까?
A : 제한된 수리 (예 : 솔더 조인트의 재 작업)가 가능하지만 Microvias 또는 매장 된 구성 요소를 사용한 고밀도 설계는 종종 돌이킬 수 없으므로 교체가 필요합니다.

Q : 산업 환경에서 ATE PCB는 얼마나 오래 지속됩니까?
A : 적절한 설계 및 제조로 ATE PCB는 10 만 ~ 50 만 시간의 MTBF를 보유하고 있으며 10-15 년 동안 지속적인 운영이 지속됩니다.

결론
PCB는 자동화 된 테스트 장비의 이름없는 영웅으로, 현대 제조가 요구하는 정밀, 속도 및 신뢰성을 가능하게합니다. 반도체 웨이퍼에서 EV 배터리에 이르기까지 ATE PCB는 탁월한 신호 무결성, 열 관리 및 기계적 안정성을 제공해야합니다. 신중한 재료 선택, 고급 설계 기술 및 엄격한 품질 관리가 필요합니다.
테스트 요구 사항이 발전함에 따라 (빠른 속도, 더 높은 전력, 소규모 형태 요인) ATE PCB는 PCB 기술의 경계를 계속 추진할 것입니다. 엔지니어와 제조업체의 경우 ATE PCB의 고유 한 요구를 이해하는 것은 내일 전자 제품의 품질 표준을 충족하는 테스트 시스템을 개발하는 데 핵심입니다.
주요 테이크 아웃 : ATE PCB는 자동 테스트의 정확성과 신뢰성에 직접적인 영향을 미치는 특수 구성 요소입니다. 신호 무결성, 열 관리 및 기계적 안정성을 우선시 함으로써이 PCB는 의료 기기에서 스마트 폰에 이르기까지 우리가 사용하는 제품이 최고 품질 표준을 미치도록합니다.