چرا مس ۲ اونسی، ردیف‌های ۲ میلی‌اینچی را از بین می‌برد؟

چرا مس ۲ اونسی، ردیف‌های ۲ میلی‌اینچی را از بین می‌برد؟

ریاضیات حکاکی کناری که هیچ‌کس قصد محاسبه‌اش را ندارد

دو سال پیش، سرپرست مهندسی یک مشتری با من تماس گرفت تا دربارهٔ فاجعه‌ای در تولید برد مدار چاپی صحبت کند. آن‌ها قطعاً یک برد منبع تغذیه با عرض رشته‌های ۲ میل و فاصلهٔ ۲ میل برای بخش کنترل طراحی کرده بودند و در کل ساختار لایه‌بندی، مس ۲ اونسی را مشخص کرده بودند تا مسیرهای توان بتوانند جریان را حمل کنند. برد خام با بازدهی حدود ۴۰ درصد تحویل داده شد. تست اتصالات، ده‌ها مدار مرده در هر صفحه را آشکار ساخت. زیر میکروسکوپ، رشته‌های بخش کنترل به‌هیچ‌وجه باریک نمی‌نمودند— بلکه شبیه آن بودند که با شن‌پاشی از بین رفته‌اند. برخی از آن‌ها کاملاً ناپدید شده بودند.

بخش ناخوشایند این است: این برد از لحظه‌ای که قوانین طراحی تدوین شدند، محکوم به شکست بود. تولیدکننده اشتباهی مرتکب نشده بود. قوانین شیمی مرطوب به‌سادگی طرح را پشت سر گذاشته بودند.

اعدادی که باید پیش از شروع کار، شما را رها کنند

بیایید مشخصات را در واحدهایی بیان کنیم که مشکل را آشکار سازد.

ردیفی به عرض ۲ میل (میلی‌اینچ) برابر با ۵۰٫۸ میکرون است. ضخامت مس ۲ اونس برابر با ۷۰ میکرون است. دوباره بخوانید: فویل مسی ۳۸ درصد ضخیم‌تر از عرض ردیف است. شما از محلول حلال می‌خواهید ساختاری را تراشیده که ارتفاع آن از عرضش بیشتر است — یعنی دیواری به ارتفاع ۷۰ میکرون روی پایه‌ای به عرض ۵۰ میکرون قرار گرفته است. سپس از آن می‌خواهید همین کار را برای ناحیه‌ای دقیقاً کناری، در فاصله‌ای ۲ میلی‌اینچی، انجام دهد.

حذف مرطوب (Wet etching) همسان‌الاتجاه است. واکنش شیمیایی جهت «پایین» را تشخیص نمی‌دهد. این واکنش مس را در جهت افقی تقریباً با همان سرعتی که در جهت عمودی از بین می‌برد، مورد حمله قرار می‌دهد. صنعت این ویژگی را با «ضریب حذف» (etch factor) ارزیابی می‌کند — یعنی نسبت عمق حذف عمودی به زیربرد (side undercut) در هر طرف. در تولید انبوه، ضریب حذف معمولاً بسته به ترکیب شیمیایی، تجهیزات و کنترل فرآیند، بین ۲٫۵ تا ۴٫۰ متغیر است. سیستم‌های کلرید مس اسیدی در لایه‌های داخلی معمولاً ضریبی بین ۳٫۰ تا ۳٫۵ دارند. سیستم‌های قلیایی در لایه‌های خارجی ضریب کمتری دارند، حدود ۲٫۵ تا ۳٫۰.

محاسبه را با ضریب حذف ۳٫۰ برای مس ۲ اونس انجام دهید:

عمق مورد نیاز حذف عمودی: ۷۰ میکرون

کاهش عرض در هر طرف: ۷۰ ÷ 3.0 ≈ ۲۳ میکرون

مجموع کاهش عرض در هر دو طرف: حدود ۴۶ میکرون

از یک ردیف با عرض ۵۰٫۸ میکرون، محلول اچینگ ۴۶ میکرون از آن را از بین می‌برد. آنچه باقی می‌ماند یک نوار ۴٫۸ میکرونی است — اگر اصلاً بتواند حفظ شود. با ضریب اچینگ ۳٫۵، عرض نهایی ردیف حدود ۱۰ میکرون خواهد بود. به هر حال، این لبه‌ای تیز مانند چاقو است، نه یک رسانا. نمی‌تواند جریان الکتریکی را منتقل کند، معیارهای مقاومت را برآورده نمی‌کند و حتی در برابر دستکاری‌های ساده نیز به‌سختی مقاومت می‌کند و می‌شکند.

و فاصلهٔ ۲ میل؟ همان کاهش ۲۳ میکرونی در هر لبهٔ ردیف، فاصلهٔ اولیهٔ ۵۰ میکرونی را به حدود ۴ میکرون کاهش می‌دهد. خطر ایجاد پل‌های مسی، اتصال کوتاه‌های ریز و رشد دندریت‌ها در طول زمان به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد.

این یک مشکل مربوط به بازده تولید نیست. این یک مشکل فیزیکی است که با پوشیدن لباس بازگشت (ریترن) ظاهر شده است.

چرا عبارت «تأمین‌کننده خودش راه‌حل را پیدا می‌کند» عمل نمی‌کند

این دقیقاً مؤلفه‌ای است که در بازی انتساب مقصر گم می‌شود. جبران پرداخت—فرآیند سی‌ام که طرح را برای نمایش برش‌خورده‌گی گسترش می‌دهد—در هر تولیدکنندهٔ جدی‌ای روشی استاندارد است. یک تولیدکنندهٔ عالی طرحی با اندازهٔ ۵ میل را به ۵٫۵ یا ۶ میل تنظیم می‌کند تا ردپای نهایی دقیقاً ۵ میل شود. این روش زمانی کاملاً مؤثر است که جبران، کسری ناچیز از ابعاد ویژگی باشد.

اما وقتی ویژگی قبلاً در لبهٔ آنچه امکان‌پذیر است قرار دارد، این روش کاملاً شکست می‌خورد.

برای به‌دست‌آوردن یک ردیف نهایی ۲ میلی‌متری پس از حدود ۴۶ میکرون زیربریدگی کلی، طرح باید تقریباً در عرض ۹۷ میکرون—یعنی تقریباً ۴ میلی‌متر—شروع شود. در حال حاضر، ریاضیات فاصله‌گذاری دچار فروپاشی می‌شود: دو ردیف طرح به عرض ۴ میلی‌متر که در طراحی با فاصلهٔ ۲ میلی‌متر از هم قرار گرفته‌اند، به این معناست که خود ویژگی‌های مقاومت‌دهنده تنها در فاصلهٔ تقریبی ۵۱ میکرونی از یکدیگر روی صفحه قرار دارند. لایهٔ مقاوم نمی‌تواند در برابر این شرایط پایدار بماند. محلول اچ‌کننده زیر آن را تخریب کرده و بلند می‌کند و در نتیجه اچ‌کردنی نامشخص و نامنظم در سراسر لایهٔ کامل ایجاد می‌شود. اچ‌کردن خطوط ظریف روی مس ضخیم به‌صورت تدریجی کاهش نمی‌یابد—بلکه به‌صورت آشوب‌آمیز شکست می‌خورد.

به همین دلیل جداول حداقل اندازهٔ خطوط در این بخش، روش‌های به‌کاررفته را بررسی می‌کنند. برای مس با ضخامت ۱ اونس، خطی با عرض ۳ میل حد آستانهٔ نامطمئن است. برای مس با ضخامت ۲ اونس، حد عملیاتی به ۵ میل افزایش می‌یابد. در ضخامت ۳ اونس، این حد ۹ میل و در ضخامت ۴ اونس، ۱۲ میل است. این اعداد فرضیات سنتی نیستند— بلکه اندازه‌هایی هستند که در آن‌ها فرآیند حکاکی به‌صورت قابل‌پیش‌بینی و بدون ریسک انجام می‌شود. طراحی خطی با عرض ۲ میل روی لایه‌ای با مس ۲ اونس، درخواستی برای فرآیندی است که خارج از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی وجود ندارد.

آنچه واقعاً برای بازگشت رخ می‌دهد

افت بازده قابل‌چشم‌پوشی نیست. بر اساس تجربهٔ من در حدود ۳۰ پروژهٔ تختهٔ مدار چاپی با مس سنگین در سه سال گذشته، الگوی زیر مشاهده می‌شود:

عرض خط کمتر از حدود سه برابر چگالی مس: بازده در محدودهٔ ۳۵ تا ۵۵ درصد، با شکست‌های اصلی به‌صورت قطعی‌شدن خطوط و نزدیک‌به‌قطعی‌شدن

عرض خط حدود چهار برابر چگالی مس: بازده در محدودهٔ ۷۰ تا ۸۵ درصد، با نوسان‌های دوره‌ای در مقاومت الکتریکی

عرض خط پنج برابر چگالی مس یا بیشتر: بازده به بیش از ۹۵ درصد بازمی‌گردد.

بدترین شکست‌ها آن‌هایی نیستند که اتصال کوتاه کامل دارند. بلکه قطع‌شدن‌های متغیر هستند — خطوطی که در کارخانه از آزمون اتصال عبور می‌کنند، چون در ابتدا رشته‌ای به ضخامت پنج میکرون هستند، اما بعداً تحت چرخه‌های حرارتی یا ارتعاش ترک می‌خورند و شش ماه بعد در محل نصب ناموفق می‌شوند. من برخی از شکست‌های واقعی را به صفحاتی بازگردانده‌ام که در کارخانه با نمره‌ای عالی از آزمون الکتریکی عبور کرده‌اند. در تصاویر AOI این خطوط بی‌نقص به نظر می‌رسیدند. هیچ‌کس هر خط دو میلی‌متری را با روش اشعه ایکس بررسی نکرده بود، و آن‌هایی که تا ضخامت موی انسان کوچک شده بودند تا زمانی که شکسته می‌شدند، غیرقابل‌تشخیص باقی می‌ماندند.

داستان مقاومت نیز وجود دارد. حتی اگر خط باریکی بتواند عبور کند، سطح مقطع آن دیگر مستطیلی نیست — بلکه ذوزنقه‌ای است: در پایین گسترده‌تر و در بالا باریک‌تر. مقاومت تنظیم‌شده بر اساس هندسه مستطیلی محاسبه می‌شود. یک ذوزنقه‌ای  تریس‌ها مقاومت واقعی هدف را در دستورالعملی که بر اساس انباشته‌شدن و زیربریدگی تعیین می‌شود، تغییر می‌دهند. برای مجموعه‌های تفاضلی، خطاهای موجود عبارتند از: عرض تریس‌ها کوچک‌تر می‌شود و فاصلهٔ بین آن‌ها بیشتر می‌گردد؛ بنابراین نوسان مقاومت تفاضلی بیشتر از حالت تک‌سر است. برد‌هایی که «باید» مقاومتی معادل ۱۰۰ اهم داشته باشند، ۹۶ اهم اندازه‌گیری شده‌اند. برد‌هایی با مقاومت طراحی‌شدهٔ ۹۰ اهم، ۸۷ اهم اندازه‌گیری شده‌اند. حداقل طرح‌ها کاملاً از مشخصات خارج شده‌اند.

منشاء این مشخصات — و دلیل نادرستی آن.

می‌خواهم نسبت به طراحانی که درخواست ضخامت مس ۲ میل و ۲ اونس می‌کنند، منصف باشم. هیچ‌کس این ترکیب را سخت تعریف نکرده است. استدلال معمول این‌گونه است: «برای این ریل تغذیه به جریان ۳ آمپر نیاز دارم؛ محاسبه‌گر نشان می‌دهد که یک تریس ۱ اونس برای این منظور باید عرضی معادل X داشته باشد، پس من ۲ اونس انتخاب می‌کنم و عرض تریس را کوچک‌تر نگه می‌دارم.» یا: «فضا محدود است و استفاده از مس ۲ اونس به من اجازه می‌دهد عرض تریس‌های تغذیه را کاهش دهم.»

خطای اصلی این است که وزن مس را چرخه‌ای تصور می‌کنیم که فقط بر ظرفیت جریان تأثیر می‌گذارد. این‌طور نیست؛ بلکه این پارامتر دسته‌ای است که کل لایه را تحت تأثیر قرار می‌دهد. کوچک‌ترین اندازه و فاصلهٔ ردیابی  همراه با آن. مس ضخیم‌تر، توانایی عبور جریان را در ردیاب‌های بزرگ افزایش می‌دهد و همزمان ظرفیت شما برای مسیریابی اجزای پیچیده را در همان لایه به‌طور همزمان کاهش می‌دهد. نمی‌توانید هر دو را در یک وزن مس داشته باشید، زیرا فرآیند اچینگ مذاکره‌ای نمی‌کند.

آنچه واقعاً کار می‌کند.

من تیم‌هایی را دیده‌ام که از این محدودیت فرار کرده‌اند و راه‌حل‌ها الگویی ثابت دارند.

وزن‌های مس را در لایه‌ها تقسیم کنید.  مس ۲ اونس و حتی ۳ اونس را روی یک لایهٔ اختصاصی تغذیه با ردیاب‌های پهن و چندضلعی‌های منعطف قرار دهید. منطق کنترل با پیچیدگی بالا را روی لایه‌ای با وزن مس ۰٫۵ اونس یا ۱ اونس قرار دهید. استفاده از دو وزن مس در یک پیل‌بندی کاملاً رایج است — اکثر سازندگان PCB چندلایه پیل‌بندی‌های ترکیبی با وزن‌های مختلف مس را بدون مشکل پیاده‌سازی می‌کنند. هزینهٔ برد کمی بیشتر می‌شود. اما این تفاوت در بازدهی اغلب بارها هزینهٔ اضافی را جبران می‌کند.

در مس نازک، حتماً از حداقل فاصلهٔ انتقال ۲ میل استفاده کنید.  اگر طراحی واقعاً به عرض خطوطی به اندازهٔ ۲ میل و فضای کافی برای خروج از BGA نیاز دارد، آن بخش باید روی لایه‌ای قرار گیرد که ضخامت آن به‌اندازه‌ای کم باشد تا بتوان آن را به‌طور قابل‌اطمینانی اچ کرد. مس با وزن ۰٫۵ اونس همراه با خط قلیایی عالی و تصویربرداری LDI می‌تواند ویژگی‌های ۲ میلی‌متری را حفظ کند. اما مس با وزن ۲ اونس در هیچ‌یک از کارخانه‌ها، با هر نوع شیمیایی و هر نوع جبران‌سازی CAM امکان‌پذیر نیست. این مسئله مربوط به توانایی ساخت نیست؛ بلکه مربوط به محدودیت‌های هندسی است.

قبل از تغییر وزن مس، عرض خطوط را افزایش دهید. یک ریل ۳ آمپری در وزن مس ۱ اونس برای افزایش معتدل دمایی به خطی به عرض تقریبی ۵۰ تا ۶۰ میل نیاز دارد. در وزن مس ۲ اونس، همان ریل به حدود نصف این عرض نیاز دارد — که باز هم بسیار بیشتر از ۲ میل است. اگر فضای مسیریابی واقعاً برای این عرض کافی نباشد، راه‌حل اعمال وزن مس ۲ اونس روی خطوط باریک نیست. راه‌حل، استفاده از یک صفحهٔ تغذیهٔ تخصصی یا لایه‌ای با مس بسیار ضخیم‌تر بدون هیچ ویژگی باریکی روی آن است.  

پیش از تعیین نهایی ساختار لایه‌ها، درخواست بررسی DFM را ارائه کنید، نه پس از آن.  هر تولیدکنندهٔ جدی‌ای طراحی رایگان برای قابلیت ساخت‌پذیری را با آپلود فایل گربر ارائه می‌دهد. تولیدکنندگانی که ارزش همکاری دارند، پیش از ثبت سفارش، ترکیب ۲ میلی‌اینچی/۲ اونسی را شناسایی کرده و زمان بازگشت تقریبی را به شما اطلاع می‌دهند. اگر تولیدکنندهٔ شما بدون هیچ توضیحی قیمت‌گذاری برای برد ۲ میلی‌اینچی/۲ اونسی شما را ارائه دهد، این نشانه‌ای هشداردهنده است — یا آنها آن را با بازگشت بسیار ضعیف تولید خواهند کرد و هزینهٔ اضافی را به شما تحمیل می‌کنند، یا آن را تولید کرده و اجازه می‌دهند مشکل را در مرحلهٔ تست کشف کنید.

نقطه نهایی

مس سنگین و خطوط باریک ترکیبی طراحی‌شده نیستند — بلکه تناقضی در واژه‌ها هستند. عامل اچ کننده‌ای که مس ۲ اونسی را کاربردی می‌سازد، همان عاملی است که خطوط ۲ میلی‌اینچی را از بین می‌برد و هیچ میزانی از تخصص فرآیندی نمی‌تواند نسبت آن‌ها را تغییر دهد. محاسبات عامل اچ عمومی است، پایدار است و به تاریخ‌های تعیین‌شدهٔ پروژه توجهی ندارد.

گروه‌هایی که تخته‌های با جریان بالا را در زمان تعیین‌شده تحویل می‌دهند، این نکته را به‌صورت دستی یاد گرفته‌اند: مس را در جایی قرار دهید که جریان وجود دارد، و وضوح را در جایی قرار دهید که سیگنال‌ها هستند، و هرگز از یک لایه مس نخواهید که هم جریان بالا و هم وضوح بالا را فراهم کند. هر تخته‌ای با مشخصات ۲ میل و ۲ اونس مس که تاکنون دیده‌ام، یا یک نمونه اولیه با بازده پایین بوده، یا بررسی شکست در محیط عملیاتی که هنوز اتفاق نیفتاده، یا درسی بسیار پرهزینه در زمینه شیمی آبکاری بوده است. هیچ‌کدام از این تخته‌ها دوباره تولید و ارسال نشده‌اند.