¿Por qué el cobre de 2 onzas destruye pistas de 2 mil?

¿Por qué el cobre de 2 onzas destruye pistas de 2 mil?

Las matemáticas de grabado lateral que nadie pretende hacer

Hace dos años, el supervisor de ingeniería de un cliente me llamó por un desastre en la fabricación de una PCB. Habían diseñado con certeza una placa de fuente de alimentación con un ancho de traza de 2 mil y un espaciado de 2 mil para el área de control, y especificaron cobre de 2 onzas en toda la pila de capas para que las pistas de potencia pudieran conducir la corriente. Las placas desnudas regresaron con un rendimiento de aproximadamente el 40 %. Las pruebas de conexión detectaron decenas de conexiones muertas por panel. Al observarlas bajo el microscopio, las trazas en la sección de control no parecían delgadas: parecían haber sido sometidas a chorro de arena. Algunas habían desaparecido por completo.

Esta es la parte incómoda: esa placa estaba condenada desde el momento en que se redactaron las reglas de diseño. El fabricante no cometió un error. Las leyes de la química húmeda simplemente superaron el diseño.

Los números que deben advertirle antes de comenzar

Expresemos la especificación en unidades que hagan evidente el problema.

Una pista de 2 mil tiene un ancho de 50,8 micrómetros. El cobre de 2 onzas tiene un grosor de 70 micrómetros. Lea eso nuevamente: la lámina de cobre es un 38 % más gruesa que el ancho de la pista. Está solicitando al agente grabador que esculpa una estructura cuya altura supera su anchura: básicamente, una pared de 70 micrómetros apoyada sobre una base de 50 micrómetros. Luego le pide que realice exactamente lo mismo en el área contigua, a solo 2 mil de distancia.

La grabación húmeda es isotrópica. La química no distingue qué dirección es «hacia abajo». Ataca al cobre lateralmente casi al mismo ritmo con que lo disuelve verticalmente. La industria evalúa esto mediante el factor de grabado: la relación entre la profundidad de grabado vertical y el desbaste lateral por lado. En producción, los factores de grabado oscilan entre 2,5 y 4,0, según la química empleada, los equipos y el control del proceso. El cloruro cúprico ácido en capas internas suele mantenerse entre 3,0 y 3,5. Los sistemas alcalinos en capas externas presentan valores más bajos, aproximadamente entre 2,5 y 3,0.

Realice el cálculo con un factor de grabado de 3,0 para cobre de 2 onzas:

Profundidad de grabado vertical requerida: 70 micrómetros

Subrayado lateral por lado: 70 ÷ 3.0 ≈ 23 micrómetros

Pérdida total de anchura en ambos lados: ~46 micrómetros

De una pista de 50,8 micrómetros, el agente grabador elimina 46 micrómetros. Lo que queda es una lámina de 4,8 micrómetros, si es que sobrevive en absoluto. Con un factor de grabado de 3,5, la pista resulta de aproximadamente 10 micrómetros de ancho. En cualquier caso, se trata de un borde afilado, no de un conductor. No puede transportar corriente, no cumple los objetivos de resistencia y apenas resiste la manipulación antes de romperse.

¿Y el espaciado de 2 mil? El mismo subrayado lateral de 23 micrómetros en cada borde de la pista reduce el espaciado de 50 micrómetros a unos 4 micrómetros. La probabilidad de puentes de cobre, cortocircuitos microscópicos y crecimiento de dendritas con el tiempo aumenta drásticamente.

Esto no es un problema de rendimiento. Es un problema físico disfrazado de problema de devoluciones.

Por qué «El proveedor lo resolverá» no funciona

Aquí está exactamente el componente que se pierde en el juego de culpas. El grabado por compensación —el proceso CAM de ampliar el diseño para representar el desbordamiento— es una práctica estándar en toda fábrica seria. Un buen productor ajustará un diseño de 5 mil a un tamaño de 5,5 o 6 mil para que la pista final tenga 5 mil. Esto funciona perfectamente cuando la compensación representa solo una pequeña fracción de la dimensión de la característica.

Fallará completamente cuando la característica ya esté al límite de lo posible.

Para obtener una pista terminada de 2 mil tras un submordido total de aproximadamente 46 micrómetros, el diseño debería comenzar en unos 97 micrómetros, es decir, casi 4 mil de ancho. Actualmente, las matemáticas del espaciado fallan: dos pistas de diseño de 4 mil de ancho separadas 2 mil entre sí significan que las propias características resistentes quedan separadas tan solo unos 51 micrómetros en el panel. La máscara resistente no puede soportar esa configuración. El agente grabador la socava y levanta, provocando un grabado impredecible y desigual en toda la capa. El grabado de líneas finas sobre cobre grueso no se degrada de forma gradual; su fracaso es caótico.

Por eso, las tablas de tamaño mínimo de trazas del sector revisan los métodos que emplean. Para cobre de 1 onza, una traza de 3 mil representa el límite crítico. Para cobre de 2 onzas, el mínimo funcional salta a 5 mil. Para cobre de 3 onzas, es de 9 mil. Para cobre de 4 onzas, de 12 mil. Estos valores no son suposiciones tradicionales: son los tamaños a partir de los cuales el grabado deja de ser una apuesta arriesgada. Diseñar un atributo de 2 mil sobre una capa de 2 onzas equivale a solicitar un proceso que no existe fuera de laboratorios de investigación.

Qué ocurre realmente al devolver

El colapso del rendimiento no es sutil. En mi experiencia con aproximadamente 30 proyectos de PCB de cobre grueso durante los últimos 3 años, el patrón observado es el siguiente:

Tamaño de traza por debajo de ~3 veces la densidad de cobre: rendimientos en el rango del 35 % al 55 %, con fallos dominados por circuitos abiertos y casi-abiertos

Tamaño de traza alrededor de 4 veces la densidad de cobre: rendimientos en el rango del 70 % al 85 %, con derivas periódicas de inmunidad

Anchura de traza igual o superior a 5 veces la densidad de cobre: los rendimientos se recuperan hasta el 95 % o más.

Los fallos más alarmantes no son los cortocircuitos definitivos. Son las interrupciones intermitentes: pistas que aprueban las pruebas de conexión en la fábrica porque, al final, son un filamento de 5 micrómetros, pero que luego se agrietan por ciclos térmicos o resonancia y fallan en el campo seis meses después. He rastreado fallos en el campo hasta placas que pasaron con nota las pruebas eléctricas en la fábrica. La pista parecía defectuosa en las imágenes de inspección óptica automática (AOI). Nadie realizó radiografías de cada interconexión de 2 mil, y las que tenían grabado reducido hasta el grosor de un cabello pasaban desapercibidas hasta que se rompían.

También está el caso de la resistencia. Incluso cuando una pista delgada logra sobrevivir, su sección transversal ya no es rectangular, sino trapezoidal: ancha cerca de la base y estrecha en la parte superior. La inmunidad controlada se calcula suponiendo geometría rectangular. Una trapezoidal  el rastreo desplaza la verdadera inmunidad del objetivo mediante instrucciones que dependen del apilamiento y del recuento de desbordes. Para conjuntos diferenciales, las sustancias de error son: los rastreos se vuelven más estrechos y el espacio entre ellos aumenta, por lo que la inmunidad diferencial deriva más que la inmunidad no balanceada. Las placas que «deben» alcanzar 100 ohmios midieron 96. Las placas a 90 ohmios midieron 87. Los diseños mínimos salieron completamente fuera de especificación.

De dónde proviene esta especificación — y por qué es incorrecta.

Quisiera ser justo con los diseñadores que solicitan 2 mil/2 oz. Nadie define esa combinación como difícil. El razonamiento suele ser así: «Necesito 3 A en este riel de alimentación; la calculadora indica que un rastreo de 1 oz debe tener X de ancho para ello, así que usaré 2 oz y mantendré el rastreo estrecho». O bien: «El espacio es limitado, y con 2 oz puedo reducir el ancho de los rastreos de alimentación.»

El error consiste en tratar el peso de cobre como un regulador que solo afecta la capacidad de corriente. No es así: es un control que afecta toda la capa. tamaño y espaciado mínimos de las pistas  junto con ello. Un cobre más grueso mejora la capacidad de manejo de corriente en pistas anchas, pero al mismo tiempo reduce drásticamente su capacidad para trazar rutas finas en la misma capa. No puede tener ambas cosas en un mismo peso de cobre, ya que el proceso de grabado no permite compromisos.

Lo que realmente funciona.

He visto equipos sortear esta trampa, y las soluciones siguen un patrón constante:

Divida los pesos de cobre entre las capas.  Coloque el cobre de 2 onzas e incluso de 3 onzas en una capa de alimentación dedicada, con pistas anchas y polígonos generosos. Coloque la lógica de control de paso fino en una capa de 0,5 onzas o 1 onza. Tener dos pesos distintos de cobre en una misma pila de capas es totalmente habitual: la mayoría de los fabricantes de PCB multicapa gestionan pilas con onzas mixtas sin complicaciones. El costo de la placa aumenta ligeramente. La diferencia en rendimiento suele compensar ampliamente ese incremento.

Mantenga una transmisión de 2 mil en cobre delgado, sin excepciones.  Si el diseño realmente requiere trazas y espacios de 2 mil para la salida de BGA, por ejemplo, esa sección debe ubicarse en una capa lo suficientemente delgada como para grabarla de forma fiable. Un cobre de 0,5 oz con una línea alcalina excelente y una imagen LDI puede mantener características de 2 mil. Un cobre de 2 oz no puede hacerlo, bajo ningún tipo de fabricación, con ninguna química ni con ningún tipo de compensación CAM. No es una cuestión de capacidad; es un problema geométrico.

Agrande las trazas antes de cambiar el peso de cobre. Una pista de alimentación de 3 A con cobre de 1 oz necesita aproximadamente 50–60 mil de ancho para una elevación moderada de temperatura. Con cobre de 2 oz, la misma pista requiere cerca de la mitad de ese ancho, pero aún así muy por encima de los 2 mil. Si el área de enrutamiento realmente no permite alojarla, la solución no es usar cobre de 2 oz en trazas finas. La solución es un plano de alimentación especializado o una capa de cobre mucho más gruesa sin funciones finas en ella.  

Solicite una revisión DFM antes de comprometerse con la estructura de capas, no después.  Toda fábrica seria ofrece, sin costo, una revisión del diseño para su fabricabilidad tras la carga de los archivos Gerber. Las que merecen considerarse señalarán de antemano una combinación de trazas de 2 mil y cobre de 2 oz antes de que se realice el pedido, e indicarán claramente cuál será el factor de recesión. Si su fabricante le cotiza una placa con trazas de 2 mil y cobre de 2 oz sin hacer ningún comentario al respecto, eso es una señal de alerta: o bien la fabricará con un factor de recesión deficiente y le trasladará el costo adicional, o bien la fabricará tal como está y usted descubrirá el problema durante las pruebas.

La línea de fondo

El cobre grueso y las trazas estrechas no son una opción de diseño: son términos contradictorios. El agente corrosivo que permite aprovechar el cobre de 2 oz es exactamente el mismo que elimina las trazas de 2 mil, y ninguna cantidad de refinamiento del proceso modifica esa proporción. La relación de ataque (etch ratio) es pública, estable y ajena a las fechas límite.

Los grupos que entregan placas de alta corriente a tiempo descubrieron esto manualmente: coloque el cobre donde está la corriente, coloque la resolución donde están las señales y nunca pida que una sola capa de cobre haga ambas funciones. Cada placa de 2 mil/2 oz que he visto jamás fabricada ha sido, en realidad, o bien un prototipo de bajo rendimiento, una investigación de fallos en campo a punto de ocurrir, o una lección extremadamente costosa sobre química de grabado. Ninguna se envió dos veces.