Защо 2 унции мед разрушава следи с дебелина 2 мила?

Защо 2 унции мед разрушава следи с дебелина 2 мила?

Математиката за странично изтравяне, която никой не се канеше да извършва

Преди две години техническият ръководител на клиент ни се обади относно катастрофа при производството на PCB. Те бяха проектирали плата за захранване с ширина на проводниците и разстояние между тях по 2 mil в контролния участък и бяха посочили 2 унции мед в цялата структура, за да могат силовите вериги да пренасят тока. Суровите платки бяха върнати с добив от около 40 %. Тестването за връзки отбеляза десетки неработещи връзки на всяка плата. Под микроскопа проводниците в контролния участък изобщо не изглеждаха тънки — изглеждаше, че са били „пясъчно-струйно обработени“. Някои от тях липсваха напълно.

Ето неловкия момент: тази плата беше обречена още от момента, в който бяха формулирани правилата за проектиране. Производителят не допусна грешка. Законите на мократа химия просто надвишиха проекта.

Числата, които трябва да ви предупредят, преди да започнете

Нека представим спецификацията в единици, които очевидно показват проблема.

2-милиметровата следа е широка 50,8 микрона. Медта с дебелина 2 унции е дебела 70 микрона. Прочетете това отново: медната алуминиева фолио е с 38 % по-дебела, отколкото е широка следата. Вие изисквате от етчъра да оформи структура, която е по-висока, отколкото е широка – по същество 70-микронна стена, изправена върху 50-микронно основание. След това изисквате от него да направи същото и за областта точно до нея, на разстояние 2 мила.

Мокрото етчиране е изотропно. Химията не различава коя посока е „надолу“. Тя атакува медта странично почти със същата скорост, с която я разяжда вертикално. Отрасълът оценява това чрез коефициент на етчиране – отношението между вертикалната дълбочина на етчиране и страничното подрязване от всяка страна. При производството коефициентите на етчиране обикновено са между 2,5 и 4,0, в зависимост от химията, оборудването и контрола на процеса. Киселият меден хлорид за вътрешни слоеве обикновено има коефициент между 3,0 и 3,5. Алкалните системи за външни слоеве имат по-ниски стойности, около 2,5–3,0.

Изчислете с коефициент на етчиране 3,0 за мед с дебелина 2 унции:

Необходима вертикална дълбочина на етчиране: 70 микрона

Странно подрязване от всяка страна: 70 ÷ 3.0 ≈ 23 микрона

Обща загуба на ширина от двете страни: около 46 микрона

От следа с дебелина 50,8 микрона етchantът отнема 46 микрона. Остава само 4,8-микронна ивица – ако изобщо оцелее. При фактор на травиране 3,5 широчината на следата е около 10 микрона. Във всеки случай това е острие на бръснач, а не проводник. Тя не може да пренася ток, не отговаря на целите за съпротивление и едва издържа механични въздействия, преди да се прекъсне.

А какво е с разстоянието от 2 mil? Същото 23-микронно подрязване по ръбовете на всяка следа намалява разстоянието от 50 микрона до около 4 микрона. Рискът от медно свързване, микро-къси съединения и образуване на дендрити с времето рязко нараства.

Това не е проблем с добивността. Това е физически проблем, облечен в дрехите на възстановяване.

Защо „Доставчикът ще се справи“ не работи

Тук е компонентът, който се изгубва в играта на обвинения. Гравирането за компенсация — CAM процесът на разширяване на чертежа, за да се компенсира подрязването, — е стандартна практика във всяка сериозна производствена фабрика. Добър производител ще адаптира чертеж с размер 5 mil към 5,5 или 6 mil, така че крайният проводник да има размер 5 mil. Това работи отлично, когато компенсацията представлява малка част от размера на елемента.

Това напълно не успява, когато елементът вече е на границата на възможното.

За да се получи завършена линия с дебелина 2 mil след общо подрязване от около 46 микрона, изходният чертеж трябва да започне с приблизително 97 микрона — почти 4 mil. В момента математиката за разстоянията се разпада: две линии в чертежа с ширина по 4 mil, разположени на 2 mil разстояние една от друга, означава, че самите устойчиви участъци са разделени само на около 51 микрона по повърхността на платката. Фоторезистът не може да издържи това. Травящият разтвор го подкопава и вдига, което води до непредсказуемо и неравномерно травиране по целия слой. Травирането на фини линии в дебел меден слой не се влошава постепенно — то се проваля хаотично.

Затова таблиците с минималните размери на проводниците за този сектор преглеждат методите, които те използват. За меден слой с дебелина 1 oz минималният размер на проводника е 3 mil — това е границата на възможностите. За слой от 2 oz функционалният минимум скоква до 5 mil. При 3 oz той е 9 mil. При 4 oz — 12 mil. Това не са традиционни предположения — това са размерите, при които процесът на гравиране престава да бъде рискован. Проектирате ли проводник с ширина 2 mil върху слой от 2 oz, вие искате технологичен процес, който не съществува извън лаборатории за научни изследвания.

Какво всъщност се случва при връщането

Спадът в добива не е незабележим. От моя опит през последните три години с около 30 проекти на печатни платки с усилена медна дебелина моделът е следният:

Ширина на проводника под ~3× медната плътност: добив в диапазона 35–55 %, като основните дефекти са прекъсвания и почти прекъсвания

Ширина на проводника около 4× медната плътност: добив в диапазона 70–85 %, с периодични отклонения в устойчивостта

Ширина на проводника при 5× медната плътност или по-голяма: добивът се възстановява до 95 % и повече.

Най-страшните неуспехи не са късото съединение. Те са преривистите прекъсвания — проводни линии, които минават тестовете за електрическа връзка в завода, тъй като първоначално представляват филамент с дебелина 5 микрона, а по-късно се напукват под въздействието на термични цикли или резонанс и излизат от строя на място шест месеца по-късно. Открил съм причините за неуспехи на място до платки, които са преминали електрическото изпитание в производствената фабрика с отлични резултати. На изображенията от AOI проверката линията е изглеждала безупречна. Никой не е правил рентгеново сканиране на всяка 2-милиметрова линия, а онези, които са били гравирани до дебелина на косъм, са оставали незабележими, докато не са се повредили.

Съществува и проблемът със съпротивлението. Дори когато тънка проводна линия успее да мине през процеса, напречното ѝ сечение вече не е правоъгълно — то е трапецовидно, по-широко в основата и по-тънко в горната част. Контролираната устойчивост се изчислява въз основа на правоъгълна геометрия. Една трапецовидна  траките преместват реалната импедансна устойчивост от целта чрез инструкции, които се основават на натрупването и подрязването. При диференциалните набори грешките са следните: траките стават по-тесни, а разстоянието между тях – по-голямо, поради което диференциалната импедансна устойчивост се отклонява повече в сравнение с едностранната. Платки, които „трябва“ да имат 100 ома, са измерени на 96 ома. Платки с 90 ома са измерени на 87 ома. Минималните оформления напълно излизат извън спецификацията.

Откъде идва тази спецификация – и защо е погрешна.

Искам да бъда справедлив към дизайнерите, които изискват 2 mil / 2 oz. Никой не определя тази комбинация като трудна. Обичайното обоснование изглежда по следния начин: „Трябват ми 3 ампера по този захранващ проводник; калкулаторът показва, че за това е необходим трак от 1 oz с ширина X, затова ще използвам 2 oz и ще запазя трака тесен.“ Или: „Мястото е ограничено и 2 oz ми позволява да намаля ширината на захранващите тракове.“

Грешката е в това да се третира тежестта на медта като регулировъчен елемент, който влияе само върху токопропускателната способност. Това не е така – това е елемент, който оказва въздействие върху целия слой. минимален размер и разстояние на проводниците  заедно с това. По-дебелата мед позволява по-голям ток върху големите проводници, но едновременно с това намалява възможността ви да прокарвате нещо сложно върху същия слой. Не можете да имате и двете при един и същ меден слой, тъй като процесът на изтравяне не предвижда компромиси.

Това, което наистина работи.

Виждал съм екипи да избягват този капан, а решенията следват последователен модел.

Разпределете медните дебелини между различните слоеве.  Поставете медта с дебелина 2 унции и дори 3 унции върху отделен слой за захранване с широки проводници и щедри полигони. Поставете логиката за управление с фин пинч върху слой с дебелина 0,5 унции или 1 унция. Използването на две различни медни дебелини в един и същ стек-ъп е напълно обичайно — повечето производители на многослойни PCB обработват стек-ъпове с различни медни дебелини без никакви усложнения. Платката струва малко повече. Разликата в добива често компенсира тази допълнителна цена.

Запазете минимално разстояние от 2 мила между проводниците при тънка мед, без изключения.  Ако проектът наистина изисква траса и пространство от 2 mil за извеждане от BGA, например, тази секция трябва да се намира в слой, достатъчно тънък, за да се гравира надеждно. Мед с дебелина 0,5 oz заедно с отлична алкална линия и LDI-визуализация може да поддържа елементи с размер 2 mil. Мед с дебелина 2 oz не може да го направи — нито в която и да е производствена фирма, нито при каквато и да е химия, нито при каквато и да е CAM-компенсация. Това не е въпрос на технологични възможности, а на геометрични ограничения.

Разширете трасата преди да промените дебелината на медта. За токов релей от 3 A при 1 oz е необходима траса с ширина около 50–60 mil при умерено повишаване на температурата. При 2 oz същият релей изисква приблизително половината от тази ширина — все пак значително повече от 2 mil. Ако разполагаемото пространство за трасиране наистина е недостатъчно, решението не е използването на 2 oz мед за фини траси. Решението е специализирана силова равнина или много по-дебел слой мед без фини елементи върху него.  

Поискайте DFM-преглед преди окончателното потвърждаване на стека, а не след него.  Всеки сериозен производител предлага безплатна проверка на проекта за производимост при качване на Gerber файлове. Онези, с които си струва да се работи, ще отбележат комбинацията 2 mil / 2 oz преди поръчката да бъде оформена и ще ви уведомят какъв ще е резултатът. Ако вашият производител цитира цена за вашата плоча 2 mil / 2 oz, без изобщо да направи забележка, това е предупредителен знак — или ще я произведат с лош резултат и ще прехвърлят разходите върху вас, или ще я произведат и ще ви оставят да откриете проблема по време на тестовете.

Крайната точка

Голямата медна дебелина и тесните линии не са проектен избор — те са противоречие по определение. Траверът, който прави медната дебелина от 2 oz полезна, е същият травер, който унищожава линиите с ширина 2 mil, и никакви технологични усъвършенствания не променят това съотношение. Математиката на траверния фактор е публична, стабилна и не зависи от крайните срокове.

Групите, които доставят високотокови платки навреме, са разбрали това емпирично: поставяйте медта там, където има ток, поставяйте резолюцията там, където има сигнали, и никога не изисквайте от един меден слой да изпълнява и двете функции. Всеки 2 mil / 2 oz платка, която съм виждал досега, всъщност е била или прототип с нисък процент на изход, или разследване на отказ в полето, което чака да се случи, или изключително скърбен урок по химия на травирането. Нито една от тях не е била доставена повторно.