Warum zerstört 2oz Kupfer 2mil-Leiterbahnen?

Warum zerstört 2oz Kupfer 2mil-Leiterbahnen?

Die Seitenätz-Mathematik, die niemand wirklich berechnen möchte

Vor zwei Jahren rief mich der technische Leiter eines Kunden wegen einer Katastrophe bei der Leiterplattenfertigung an. Sie hatten mit Sicherheit eine Stromversorgungsplatine mit einer Leiterbahnbreite von 2 Mil und einem Leiterbahnabstand von 2 Mil für den Steuerungsbereich entworfen und 2-Unzen-Kupfer für den gesamten Aufbau spezifiziert, damit die Strompfade den erforderlichen Strom führen konnten. Die blanken Leiterplatten kamen mit einer Ausbeute von rund 40 Prozent zurück. Die Verbindungstests markierten pro Panel Dutzende nicht funktionierender Verbindungen. Unter dem Mikroskop sahen die Leiterbahnen im Steuerungsbereich keineswegs dünn aus – sie wirkten vielmehr, als wären sie sandgestrahlt worden. Einige fehlten vollständig.

Hier ist der unangenehme Teil: Diese Leiterplatte war bereits zum Zeitpunkt der Festlegung der Designregeln zum Scheitern verurteilt. Der Hersteller machte keinen Fehler. Die Gesetze der feuchten Chemie überwältigten schlicht das Layout.

Die Zahlen, die Sie warnen müssen, bevor Sie beginnen

Stellen wir die Spezifikation in Einheiten dar, die das Problem offensichtlich machen.

Eine 2-mil-Leiterbahn ist 50,8 Mikrometer breit. 2 Unzen Kupfer sind 70 Mikrometer dick. Lesen Sie das noch einmal: Die Kupferfolie ist 38 Prozent dicker als die Leiterbahn breit ist. Sie verlangen vom Ätzmittel, eine Struktur zu formen, die höher ist als breit – im Grunde eine 70-Mikrometer-Wand, die auf einer 50-Mikrometer-Basis steht. Dann verlangen Sie dasselbe für den unmittelbar benachbarten Bereich, der nur 2 mil entfernt liegt.

Nassätzverfahren sind isotrop. Die Chemie unterscheidet nicht zwischen „nach unten“ und anderen Richtungen. Sie greift das Kupfer seitlich nahezu genauso stark an wie senkrecht. Die Industrie bewertet dies mit dem Ätzfaktor – dem Verhältnis von senkrechter Ätztiefe zu seitlichem Untergraben pro Seite. In der Fertigung liegen die Ätzfaktoren je nach Chemie, Anlagen und Prozesssteuerung zwischen 2,5 und 4,0. Saures Kupferchlorid bei Innenlagen liegt normalerweise bei 3,0 bis 3,5. Alkalische Systeme bei Außenlagen liegen niedriger, etwa bei 2,5 bis 3,0.

Führen Sie die Berechnung mit einem Ätzfaktor von 3,0 bei 2oz-Kupfer durch:

Benötigte senkrechte Ätztiefe: 70 Mikrometer

Seitlicher Untergriff pro Seite: 70 ÷ 3.0 ≈ 23 Mikrometer

Gesamte Breitenreduktion an beiden Seiten: ca. 46 Mikrometer

Von einer 50,8-Mikrometer-Leiterbahn entfernt das Ätzmittel 46 Mikrometer. Übrig bleibt ein 4,8-Mikrometer-dünner Streifen – falls er überhaupt erhalten bleibt. Bei einem Ätzfaktor von 3,5 ergibt sich eine Leiterbahnbreite von rund 10 Mikrometern. In jedem Fall handelt es sich um eine Messerschneide, keine Leiterbahn. Sie kann keinen Strom führen, verfehlt die Zielvorgaben für den elektrischen Widerstand und hält selbst bei vorsichtigem Handling kaum stand, bevor sie bricht.

Und der Abstand von 2 Mil? Derselbe 23-Mikrometer-Untergriff an jeder Leiterbahnkante reduziert den Abstand von 50 Mikrometern auf etwa 4 Mikrometer. Die Gefahr von Kupferbrücken, Mikrokurzschlüssen und langfristigem Dendritenwachstum steigt dramatisch an.

Das ist kein Ausbeuteproblem. Das ist ein physikalisches Problem, das sich als Rückgabe-Problematik tarnt.

Warum „Der Lieferant findet schon eine Lösung“ nicht funktioniert

Hier liegt genau die Komponente, die im Schuldspiel verloren geht. Die Kompensation für Ätzung – der CAM-Prozess, bei dem die Leiterbahnbreite vergrößert wird, um das Unterätzen auszugleichen – ist in jeder seriösen Fertigung Standardpraxis. Ein guter Hersteller passt ein 5-mil-Design auf eine 5,5- oder 6-mil-Leiterbahnbreite an, sodass die fertige Leiterbahn genau 5 mil erreicht. Dies funktioniert hervorragend, solange die Kompensation nur einen kleinen Bruchteil der Strukturbreite ausmacht.

Es versagt vollständig, wenn die Strukturbreite bereits an der Grenze des Machbaren liegt.

Um nach einem Gesamtuntergraben von ca. 46 µm eine fertige Leiterbahn mit einer Breite von 2 mil zu erhalten, müsste die Layoutzeichnung mit einer Breite von etwa 97 µm – also fast 4 mil – beginnen. Derzeit versagt die Abstandsmathematik: Zwei 4 mil breite Layoutleiterbahnen, die im Design 2 mil voneinander entfernt sind, liegen auf der Platine tatsächlich nur noch etwa 51 µm auseinander. Die Resistmaske kann dies nicht überstehen. Das Ätzmittel unterhöhlt und hebt sie an, wodurch im gesamten Layer unvorhersehbare, unregelmäßige Ätzungen entstehen. Feinleiter-Ätzen auf dickem Kupfer verschlechtert sich nicht kontrolliert – es bricht chaotisch zusammen.

Deshalb überprüfen die Mindest-Leiterbahnbreiten-Tabellen des Sektors die verwendeten Verfahren. Bei 1 Unze Kupfer beträgt die Mindest-Leiterbahnbreite 3 Mil – das ist die untere Grenze. Bei 2 Unzen steigt die funktionale Mindestbreite auf 5 Mil. Bei 3 Unzen liegt sie bei 9 Mil, bei 4 Unzen bei 12 Mil. Dies sind keine traditionellen Annahmen – es sind vielmehr die Breiten, bei denen das Ätzen nicht mehr einem Glücksspiel gleicht. Entwerfen Sie eine 2-Mil-Leiterbahn auf einer 2-Unzen-Schicht, und Sie fordern ein Verfahren an, das außerhalb von Forschungslaboratorien nicht existiert.

Was tatsächlich beim Rücklauf geschieht

Der Ausbeuteeinbruch ist keineswegs subtil. In meiner Erfahrung aus rund 30 Hochkupfer-PCB-Projekten der letzten drei Jahre folgt das Muster stets diesem Schema:

Leiterbahnbreite unter etwa dem 3-fachen der Kupferdicke: Rücklaufquoten im Bereich von 35 bis 55 %, wobei Ausfälle vorwiegend durch Unterbrechungen und nahezu unterbrochene Leitungen verursacht werden

Leiterbahnbreite um das 4-fache der Kupferdicke: Rücklaufquoten im Bereich von 70 bis 85 %, mit gelegentlichen Schwankungen der Isolationsfestigkeit

Leiterbahnbreite ab dem 5-fachen der Kupferdicke: Rücklaufquoten erholen sich auf über 95 %.

Die beängstigendsten Ausfälle sind nicht die Kurzschlüsse durch totale Leitungsunterbrechungen. Es sind vielmehr die intermittierenden Unterbrechungen – Leiterbahnen, die im Werk die Verbindungstests bestehen, weil sie zunächst noch einen 5-Mikrometer-dicken Filament aufweisen; später brechen sie jedoch infolge thermischer Wechselbelastung oder Resonanz und führen sechs Monate später im Feld zu Fehlfunktionen. Ich habe Feldausfälle bis hin zu Leiterplatten zurückverfolgt, die im Fertigungswerk sämtliche elektrischen Prüfungen mit Bravour bestanden hatten. In den AOI-Bildern wirkte die Leiterbahn zwar auffällig, doch wurde nicht jede 2-mil-Leitung geröntgt, und jene Leiterbahnen, die sich bis auf haarfeine Breite eingeengt hatten, blieben solange unbemerkt, bis sie brachen.

Es gibt zudem die Widerstandsproblematik. Selbst wenn eine dünne Leiterbahn durchschlüpft, ist ihr Querschnitt nicht mehr rechteckig – er ist trapezförmig: breiter an der Unterseite, schmaler an der Oberseite. Die berechnete, normgerechte Widerstandsfähigkeit basiert jedoch auf einer rechteckigen Geometrie. Ein trapezförmig  die Leiterbahnverschiebung verändert die tatsächliche Impedanz des Targets gemäß einer Anweisung, die auf der Schichtaufbauhöhe und dem Unterkantenausgleich beruht. Bei Differenzialpaaren treten Fehler auf: Die Leiterbahnen werden schmaler und der Abstand zwischen ihnen größer, wodurch die Differenzialimpedanz stärker driftet als die Einzelendimpedanz. Platinen, die "sollten" 100 Ohm erreichen, wurden mit 96 Ohm gemessen. Platinen mit 90 Ohm wurden mit 87 Ohm gemessen. Minimalauslegungen lagen vollständig außerhalb der Spezifikation.

Wo diese Spezifikation herkommt – und warum sie falsch ist.

Ich möchte den Konstrukteuren, die 2 mil / 2 oz verlangen, gerecht werden. Niemand definiert diese Kombination als schwierig. Die Begründung lautet typischerweise so: "Ich benötige 3 A auf dieser Versorgungsleitung; der Rechner zeigt an, dass eine 1 oz-Leiterbahn für diesen Strom X breit sein muss, also wähle ich 2 oz und halte die Leiterbahn schmal." Oder: "Der Platz ist knapp, und 2 oz ermöglicht mir, die Versorgungsleiterbahnen zu verkleinern."

Der Irrtum besteht darin, das Kupfergewicht als einen Regler zu betrachten, der lediglich die Stromtragfähigkeit beeinflusst. Das ist es nicht – es ist ein Regler, der die gesamte Leitungsebene mitzieht. minimale Leiterbahnbreite und -abstand  damit einher geht: Dickere Kupferschichten erhöhen die Stromtragfähigkeit breiter Leiterbahnen, beeinträchtigen jedoch gleichzeitig Ihre Fähigkeit, feine Strukturen auf derselben Leiterplattebene zu realisieren. Beides ist bei einer einzigen Kupferdicke nicht möglich, da das Ätzverfahren keine Kompromisse zulässt.

Was wirklich funktioniert.

Ich habe bereits gesehen, wie Teams diese Falle umgehen – und die Lösungen folgen stets demselben Muster.

Verteilen Sie die Kupferdicken auf verschiedene Leiterplattenebenen.  Verwenden Sie 2 oz und sogar 3 oz Kupfer auf einer separaten Versorgungsebene mit breiten Leiterbahnen und großzügigen Polygonen. Platzieren Sie die feinverdrahtete Steuerlogik hingegen auf einer Ebene mit 0,5 oz oder 1 oz Kupfer. Zwei unterschiedliche Kupferdicken innerhalb eines Schichtaufbaus sind völlig üblich – die meisten Mehrschicht-Leiterplatten-Hersteller fertigen gemischte Unze-Aufbauten problemlos. Die Platine kostet etwas mehr. Der höhere Ausschuss wird in den meisten Fällen durch die verbesserte Funktionalität mehr als wettgemacht.

Halten Sie bei dünnem Kupfer unbedingt 2 mil Übertragung ein.  Falls das Design tatsächlich Leiterbahnen und Abstände von 2 mil für die BGA-Entfernung erfordert, gehört dieser Bereich auf eine so dünne Leiterplatte, dass diese Strukturen zuverlässig geätzt werden können. Mit 0,5 oz Kupfer, einer exzellenten alkalischen Ätzung und LDI-Belichtung lassen sich 2-mil-Strukturen realisieren. Mit 2 oz Kupfer ist dies in keiner Fertigung, bei keiner Chemie und mit keiner CAM-Kompensation möglich. Es handelt sich nicht um eine Frage der Fertigungskapazität, sondern um ein geometrisches Problem.

Verbreitern Sie vor dem Wechsel des Kupfergewichts. Eine 3-Ampere-Leitung benötigt bei 1 oz Kupfer etwa eine 50–60 mil breite Leiterbahn für einen moderaten Temperaturanstieg. Bei 2 oz Kupfer reicht dafür etwa die Hälfte – immer noch deutlich mehr als 2 mil. Falls der Platz für das Routing wirklich nicht ausreicht, ist die Antwort nicht 2 oz Kupfer bei feinen Leiterbahnen. Die Lösung ist eine spezielle Stromversorgungsebene oder eine deutlich dickere Kupferschicht ohne feine Strukturen.  

Fordern Sie vor der Festlegung des Schichtaufbaus ein DFM-Gutachten an – nicht erst danach.  Jeder seriöse Fertigungsdienstleister bietet kostenloses Layout-for-Manufacturability-Review bei Gerber-Upload an. Diejenigen, mit denen es sich lohnt, zusammenzuarbeiten, kennzeichnen bereits vor Auftragserteilung eine Kombination aus 2 mil Leiterbahnbreite und 2 oz Kupferdicke und informieren Sie über die zu erwartende Seitenverhältnis-Toleranz. Wenn Ihr Fertiger Ihre Leiterplatte mit 2 mil Leiterbahnbreite und 2 oz Kupferdicke ohne jeglichen Hinweis quotiert, ist das ein Warnsignal – entweder stellt er sie mit unzureichendem Seitenverhältnis her und berechnet Ihnen die dadurch entstehenden Kosten, oder er fertigt sie so, dass Sie das Problem erst bei der Prüfung entdecken.

Der Schlusspunkt

Schweres Kupfer und feine Leiterbahnen sind keine Designentscheidung – sie widersprechen sich per Definition. Das Ätzmittel, das 2 oz Kupfer nutzbar macht, ist identisch mit dem Ätzmittel, das 2 mil breite Leiterbahnen entfernt; und keine noch so ausgeklügelte Prozessoptimierung ändert dieses Verhältnis. Die Ätzfaktor-Berechnung ist öffentlich zugänglich, stabil und unbeeinflusst durch Terminvorgaben.

Die Gruppen, die hochstromfähige Leiterplatten termingerecht liefern, haben dies durch Erfahrung herausgefunden: Legen Sie das Kupfer dort an, wo der Strom fließt, platzieren Sie die Auflösung dort, wo die Signale verlaufen, und fordern Sie niemals eine einzige Kupferschicht auf, beide Aufgaben zu erfüllen. Jede 2-mil-/2-oz-Leiterplatte, die ich jemals gesehen habe, war entweder ein Prototyp mit geringer Ausbeute, eine bevorstehende Feldausfalluntersuchung oder eine äußerst kostspielige Lektion in Ätzchemie. Keine davon wurde zweimal ausgeliefert.