Hvorfor ødelægger 2oz kobber 2mil spor?

Hvorfor ødelægger 2oz kobber 2mil spor?

Side-ætsningsmatematikken, som ingen har tænkt sig at udføre

For to år siden ringede en kundes tekniske leder til mig om en katastrofe inden for PCB-fremstilling. De havde helt sikkert udviklet et strømforsyningskort med 2 mil bredde på ledningerne og 2 mil afstand mellem dem i kontrolområdet og specificeret 2 oz kobber i hele lagopbygningen, så strømforsyningsbanerne kunne bære strømmen. De færdige plader kom tilbage med en udbytte på ca. 40 %. Forbindelseskontrollen identificerede dusinvis af døde forbindelser pr. plade. Under mikroskopet så ledningerne i kontrolområdet ikke tynde ud – de så ud, som om de var sandblæst. Nogle manglende helt.

Her er den ubehagelige del: Det kort var dømt fra det øjeblik, designreglerne blev skrevet. Producenten begik ikke en fejl. Lovene om fugtig kemisk ætsning overtog simpelthen tegningen.

Tallene, der skal advare dig, før du går i gang

Lad os formulere specifikationen i enheder, der gør problemet tydeligt.

En 2-mil-ledning er 50,8 mikrometer bred. 2 oz kobber er 70 mikrometer tykt. Læs det igen: Kobberfolien er 38 % tykkere end ledningen er bred. Du beder ætsningsmidlet om at forme en struktur, der er højere end den er bred – altså en 70-mikrometer høj væg, der står på en 50-mikrometer bred base. Derefter beder du det om at gøre nøjagtigt det samme i området lige ved siden af, 2 mil væk.

Våd ætning er isotrop. Kemien skelner ikke mellem, hvilken retning der er »nedad«. Den angriber kobberet sidelæns næsten lige så hurtigt, som den ætter vertikalt. Branchen vurderer dette ved hjælp af ætningsfaktoren – forholdet mellem vertikal ætningsdybde og sideundergravning pr. side. I produktionen ligger ætningsfaktorer typisk mellem 2,5 og 4,0, afhængigt af kemien, udstyret og proceskontrollen. Syrlig kobberchlorid på indre lag ligger normalt på 3,0–3,5. Alkaliske systemer på ydre lag ligger lavere, omkring 2,5–3,0.

Udfør beregningen med en ætningsfaktor på 3,0 for 2 oz kobber:

Krævet vertikal ætningsdybde: 70 mikrometer

Side undercut pr. side: 70 ÷ 3.0 ≈ 23 mikrometer

Samlet breddeforringelse på begge sider: ca. 46 mikrometer

Af en 50,8-mikrometer bred spore fjerner ætsningsmidlet 46 mikrometer. Der er kun en 4,8-mikrometer tynd skive tilbage – hvis den overhovedet overlever processen. Ved en ætsningsfaktor på 3,5 bliver sporen ca. 10 mikrometer bred. Uanset hvad er den en knivskarp kant, ikke en leder. Den kan ikke lede strøm, opfylder ikke modstandskravene og holder knap nok til håndtering uden at bryde sammen.

Og 2-mil afstanden? Den samme 23-mikrometer side undercut på hver sporkant reducerer afstanden fra 50 mikrometer til ca. 4 mikrometer. Risikoen for kobberforbindelser (bridging), mikro-kortslutninger og dendritdannelse over tid stiger kraftigt.

Det er ikke et udbytteproblem. Det er et fysikproblem, der skjuler sig bag et udbytteproblems facade.

Hvorfor "Leverandøren finder selv en løsning" ikke virker

Her er komponenten, der bliver kastet ud i skyldspillet. Gravebetaling – CAM-processen til at forstørre tegningen for at kompensere for undergravning – er almindelig praksis i alle seriøse fabrikker. En god producent justerer en 5 mil tegning til en størrelse på 5,5 eller 6 mil, så den færdige spore bliver 5 mil bred. Dette fungerer fremragende, når kompensationen udgør kun en lille brøkdel af detaljens størrelse.

Det svigter fuldstændigt, når detaljen allerede ligger på grænsen af det mulige.

For at opnå en færdig 2 mil bred spore efter ca. 46 mikrometer samlet undergravning, skulle kunstværket oprindeligt have en bredde på ca. 97 mikrometer – næsten 4 mil. I øjeblikket bryder afstandsberegningerne sammen: To 4 mil brede kunstværksporer placeret 2 mil fra hinanden i designet betyder, at de faktiske sporer på pladen er ca. 51 mikrometer fra hinanden. Resistlaget kan ikke overleve det. Ætsningsmidlet undergravner og løfter det, og resultatet bliver uforudsigelig, ujævn ætning på hele laget. Fint linje-ætning på tykt kobber forringes ikke gradvist – den svigter kaotisk.

Det er derfor, at sektorens tabeller over minimumsporstørrelser gennemgår de metoder, de gør. For 1 oz kobber er et 3 mil spor grænsen for, hvad der er muligt. For 2 oz stiger den funktionelle minimumsstørrelse til 5 mil. Ved 3 oz er den 9 mil. Ved 4 oz er den 12 mil. Dette er ikke traditionelle antagelser – det er de størrelser, hvor graveringens stabilitet ophører med at være et spil med tilfældigheder. Design et 2 mil spor på et 2 oz lag, og du anmoder om en proces, der ikke findes uden for forskningslaboratorier.

Hvad sker der virkelig under retur

Udbyttet falder ikke subtilt. I min erfaring fra ca. 30 heavy-copper-PCB-projekter de seneste 3 år svarer mønsteret til følgende:

Sporstørrelse under ca. 3× kobbertætheden: udbytte i intervallet 35–55 %, med fejl primært som åbne forbindelser og næsten-åbne forbindelser

Sporstørrelse omkring 4× kobbertætheden: udbytte i intervallet 70–85 %, med periodisk ustabilitet i isolationsniveauet

Sporbredde ved 5× kobbertætheden eller derover: udbytte genoprettes til 95 % og derover.

De mest skræmmende fejl er ikke de døde kortslutninger. Det er de intermitterende åbne forbindelser – ledninger, der består forbindelsestesten på fabrikken, fordi de kun indeholder en 5-mikrometer tyk filament, som senere sprækker på grund af termisk cyklus eller resonans og svigter i feltet seks måneder senere. Jeg har sporet feltfejl tilbage til kredsløbskort, der gennemgik elektrisk test på fabrikken med glimrende resultater. Ledningen så ud til at være i orden på AOI-billederne. Ingen røntgenkontrollerede hver enkelt 2-mil bred ledning, og de, der var graverede ned til hårdykkelse, kunne ikke opdages før de brød sammen.

Der er også historien om modstanden. Selv når en tynd ledning overlever, er dens tværsnit ikke længere rektangulært – det er trapezformet, bredt nederst og tyndt øverst. Den beregnede modstand baseres på rektangulær geometri. En trapezformet  trace flytter den reelle udfølsomhed væk fra målet i en proces, der bygger på stak-op og underskæring. For differentielle sæt ændres fejlmaterialerne: sporene bliver smallere, og afstanden mellem dem bliver større, så den differentielle udfølsomhed afviger mere end den enkeltstående. Plader, der "skal" have 100 ohm, målte 96. Plader på 90 ohm målte 87. Mindste layouts gik helt ud over specifikationen.

Hvor denne specifikation kommer fra – og hvorfor den er forkert.

Jeg vil være retfærdig over for designere, der anmoder om 2 mil/2 oz. Ingen definerer denne kombination som svær. Argumentationen lyder typisk sådan her: "Jeg har brug for 3 A på denne strømforsyningsledning; beregningsprogrammet angiver, at en 1 oz-ledning skal være X bred for det, så jeg vælger 2 oz og holder ledningen smal." Eller: "Der er ikke meget plads, og 2 oz giver mig mulighed for at reducere strømforsyningsledningerne."

Fejlen består i at behandle kobbervægten som en justeringsmulighed, der kun påvirker strømkapaciteten. Det er den ikke – den er en justeringsmulighed, der påvirker hele lagets minimum sporingstørrelse og afstand  sammen med det. Tykkere kobber giver dig strømhåndtering på store spor og ødelægger samtidig din evne til at rute noget stort på den samme lag. Du kan ikke have begge dele på én kobbertykkelse, da ætsningsprocessen ikke forhandler.

Hvad der virkelig virker.

Jeg har set hold undslippe denne fælde, og løsningerne følger et konsekvent mønster.

Opdel kobbertykkelsen på tværs af lagene.  Placer 2 oz og endda 3 oz kobber på et dedikeret strømlag med brede spor og generøse polygoner. Placer den fine-pitch-styringslogik på et 0,5 oz- eller 1 oz-lag. To kobbertykkelsesniveauer i én lagopbygning er helt almindeligt – de fleste multilag-PCB-producenter håndterer blandede unce-lagopbygninger uden dramatik. Brættet koster lidt mere. Forskellen i udbytte betaler ofte for det flere gange over.

Hold 2 mil overførsel på tyndt kobber, punktum.  Hvis designet virkelig kræver 2 mil bredde på ledninger og plads – for eksempel til BGA-udgangsretning – hører den pågældende sektion hjemme på et lag, der er tyndt nok til at ætse den pålideligt. 0,5 oz kobber med en fremragende alkalisk ætselinje og LDI-billeddannelse kan holde 2 mil detaljer. 2 oz kobber kan det ikke, uanset hvilken fremstillingsteknik, hvilken kemikalie eller hvilken CAM-kompensation der anvendes. Det er ikke et spørgsmål om kapacitet; det er et geometrisk problem.

Forøg bredden, inden du skifter kobbervægt. En 3-ampere strømforsyningsledning ved 1 oz kræver ca. 50–60 mil bredde for en moderat temperaturstigning. Ved 2 oz kræver den samme strømforsyningsledning ca. halvt så meget – stadig langt over 2 mil. Hvis ruteringsområdet virkelig ikke kan rumme den, er svaret ikke 2 oz kobber på fine ledninger. Svaret er en specialiseret strømforsyningsplan eller et meget tykkere kobberlag uden fine funktioner på det.  

Anmod om en DFM-godkendelse, inden du fastlægger lagopbygningen – ikke bagefter.  Alle seriøse fabrikker tilbyder omkostningsfri layouttilbagekaldelse for fremstillingsegnethed ved Gerber-upload. De, der er værd at samarbejde med, vil markere en kombination af 2 mil/2 oz i god tid før ordren indgås og informere dig om, hvad udbyttet vil være. Hvis din producent citerer din 2-mil/2-oz-plade uden én eneste bemærkning, er det et advarselssignal – enten vil de fremstille den med dårligt udbytte og overdrage omkostningerne til dig, eller også vil de fremstille den og lade dig opdage problemet ved testen.

Det grundlæggende

Tung kobber og smalle baner er ikke en designvalgmulighed – de er en modstrid i sig selv. Ætsningsmidlet, der gør 2 oz kobber anvendeligt, er det samme ætsningsmiddel, der fjerner 2 mil brede baner, og ingen mængde procesmagi ændrer forholdet. Ætsningsforholdets matematik er offentlig, den er stabil og tager ikke hensyn til frister.

Grupperne, der leverer højstrømsprintplader til tiden, har fundet ud af dette manuelt: Placer kobberet, hvor strømmen er, placer opløsningen, hvor signalerne er, og kræv aldrig, at én kobberlag skal udføre begge opgaver. Enhver 2 mil/2 oz-printplade, jeg nogensinde har set fremstillet, har faktisk enten været en prototype med lav udbytte, en undersøgelse af feltfejl, der stod til at ske, eller en ekstremt dyr lektie i ætsningskemi. Ingen af dem blev sendt to gange.