Perché il rame da 2 once distrugge le tracce da 2 mil?

Perché il rame da 2 once distrugge le tracce da 2 mil?

La matematica dell’incisione laterale che nessuno ha intenzione di fare

Due anni fa il supervisore ingegneristico di un cliente mi chiamò per parlarmi di un disastro nella produzione di una scheda a circuito stampato. Avevano sicuramente progettato una scheda di alimentazione con tracce larghe 2 mil e distanziate 2 mil nell’area di controllo, specificando rame da 2 once in tutto lo stack-up, affinché i percorsi di alimentazione potessero trasportare la corrente. Le schede nude tornarono con un rendimento di circa il 40%. I test di connessione segnalarono dozzine di collegamenti morti per pannello. Al microscopio, le tracce nell’area di controllo non apparivano affatto sottili: sembravano essere state sabbiate. Alcune erano completamente scomparse.

Ecco la parte imbarazzante: quella scheda era già condannata nel momento stesso in cui erano state stilate le regole di progettazione. Il produttore non aveva commesso errori. Le leggi della chimica umida avevano semplicemente sopraffatto il disegno.

I numeri che devono mettervi in guardia prima ancora che cominciate

Traduciamo la specifica in unità che rendano evidente il problema.

Una pista da 2 mil ha una larghezza di 50,8 micron. Il rame da 2 once ha uno spessore di 70 micron. Leggi ancora: la lamina di rame è alta il 38% in più rispetto alla larghezza della pista. Stai chiedendo all’agente chimico di incisione di scolpire una struttura più alta che larga — fondamentalmente un muro da 70 micron che poggia su un’impronta da 50 micron. Poi chiedi di fare esattamente la stessa cosa sull’area adiacente, distante appena 2 mil.

L’incisione umida è isotropa. La chimica non distingue quale direzione sia «verso il basso». Attacca il rame lateralmente quasi alla stessa velocità con cui lo dissolve verticalmente. Il settore quantifica questo fenomeno mediante il fattore di incisione — il rapporto tra profondità di incisione verticale e sottosquadro laterale per lato. Nella produzione, i fattori di incisione variano tra 2,5 e 4,0, a seconda della chimica impiegata, delle attrezzature e del controllo del processo. Il cloruro rameico acido sugli strati interni si attesta normalmente tra 3,0 e 3,5. I sistemi alcalini sugli strati esterni presentano valori inferiori, circa 2,5–3,0.

Esegui il calcolo con un fattore di incisione pari a 3,0 su rame da 2 once:

Profondità di incisione verticale richiesta: 70 micron

Sotto-incisione laterale per lato: 70 ÷ 3.0 ≈ 23 micron

Perdita totale di larghezza su entrambi i lati: circa 46 micron

Su una pista da 50,8 micron, l’agente incisore ne rimuove 46. Quello che resta è una sottile striscia da 4,8 micron — se riesce a sopravvivere del tutto. Con un fattore di incisione pari a 3,5, la pista risulta larga circa 10 micron. In ogni caso, si tratta di un bordo affilato, non di un conduttore. Non può trasportare corrente, non soddisfa gli obiettivi di resistenza e resiste a stento alle sollecitazioni meccaniche prima di spezzarsi.

E lo spazio di 2 mil? Lo stesso sotto-incisione di 23 micron su ciascun bordo della pista riduce lo spazio da 50 micron a circa 4 micron. Il rischio di cortocircuiti tra rame, micro-cortocircuiti e crescita di dendriti nel tempo aumenta in modo esponenziale.

Non si tratta di un problema di resa. È un problema fisico travestito da questione di resa.

Perché «Il fornitore troverà una soluzione» non funziona

Ecco il componente che viene spesso addossato alla colpa. La compensazione della traccia — il processo CAM di allargare il disegno per compensare l’erosione laterale — è una pratica standard in ogni fabbrica seria. Un buon produttore regolerà un disegno da 5 mil a 5,5 o 6 mil, in modo che la traccia finale risulti esattamente di 5 mil. Questo funziona perfettamente quando la compensazione costituisce solo una piccola frazione della dimensione della caratteristica.

Fallisce completamente quando la caratteristica si trova già al limite di quanto tecnicamente realizzabile.

Per ottenere una traccia finita di 2 mil dopo un sottosquadro complessivo di circa 46 micron, il disegno dovrebbe iniziare con uno spessore di circa 97 micron, ovvero quasi 4 mil. Attualmente la matematica degli spazi collassa: due tracce di disegno larghe 4 mil posizionate a 2 mil di distanza nel progetto significano che le stesse caratteristiche di resistenza sono distanziate tra loro di soli circa 51 micron sul pannello. La resistenza non riesce a sopravvivere a tale condizione. L’agente incisivo la erode e la solleva, producendo un’incisione imprevedibile e irregolare su tutto lo strato. L’incisione di linee sottili su rame spesso non si degrada in modo graduale: fallisce in modo caotico.

Questo è il motivo per cui le tabelle dei valori minimi di larghezza delle piste nel settore ne esaminano i metodi. Per rame da 1 oz, una pista da 3 mil rappresenta il limite estremo. Per rame da 2 oz, il minimo funzionale sale a 5 mil. Per rame da 3 oz è di 9 mil. Per rame da 4 oz, di 12 mil. Questi non sono assunti tradizionali: sono le dimensioni oltre le quali la deposizione durante la lavorazione cessa di essere un’incognita. Progettare una pista da 2 mil su uno strato in rame da 2 oz equivale a richiedere un processo che non esiste al di fuori dei laboratori di ricerca.

Cosa accade realmente al ritorno

Il calo del rendimento non è graduale. Nella mia esperienza maturata su circa 30 progetti di PCB con rame pesante negli ultimi 3 anni, il modello osservato è il seguente:

Larghezza delle piste inferiore a circa 3 volte la densità del rame: resa compresa tra il 35% e il 55%, con guasti dominati da circuiti aperti e quasi-aperti

Larghezza delle piste pari a circa 4 volte la densità del rame: resa compresa tra il 70% e l’85%, con deriva periodica dell’immunità

Larghezza delle piste pari a 5 volte la densità del rame o superiore: resa che recupera valori pari o superiori al 95%.

I guasti più preoccupanti non sono i cortocircuiti permanenti. Sono invece gli interruttori intermittenti: piste che superano i test di connessione in fabbrica perché, alla fine, sono filamenti da 5 micron, per poi rompersi a causa dei cicli termici o delle risonanze e causare malfunzionamenti sul campo sei mesi dopo. Ho risalito alcuni guasti sul campo a schede che avevano superato brillantemente i controlli elettrici in fabbrica. Nelle immagini AOI la pista appariva perfetta. Nessuno aveva eseguito una radiografia su ogni traccia da 2 mil, e quelle incise fino a raggiungere uno spessore pari a un capello erano impercettibili finché non si rompevano.

C’è anche il problema della resistenza. Anche quando una pista sottile riesce a passare, la sua sezione trasversale non è più rettangolare, bensì trapezoidale: più larga alla base e più stretta in cima. L’immunità controllata viene calcolata assumendo una geometria rettangolare. A trapezoidale  il tracciato sposta l'impedenza reale del bersaglio secondo una procedura che dipende dall’accumulo e dallo sbalzo. Per le coppie differenziali, l’errore è il seguente: i tracciati diventano più stretti e lo spazio tra di essi aumenta, quindi l’impedenza differenziale varia maggiormente rispetto a quella singola. Schede progettate per 100 ohm hanno misurato 96 ohm. Schede progettate per 90 ohm hanno misurato 87 ohm. Alcune configurazioni minime sono uscite completamente dalle specifiche.

Da dove proviene questa specifica — e perché è errata.

Voglio essere equo con i progettisti che richiedono 2 mil/2 oz. Nessuno definisce tale combinazione come difficile. Il ragionamento tipico è il seguente: «Ho bisogno di 3 A su questa linea di alimentazione; il calcolatore indica che un tracciato da 1 oz deve avere larghezza X per tale corrente, quindi opterò per 2 oz mantenendo il tracciato più stretto». Oppure: «Lo spazio è limitato e con 2 oz posso ridurre la larghezza delle piste di alimentazione».

L’errore consiste nel considerare il peso del rame come una semplice manopola che influenza solo la capacità di trasportare corrente. Non è così: è invece un parametro che influenza l’intero strato. dimensione minima delle tracce e distanza tra di esse  insieme a ciò. Rame più spesso consente una migliore gestione della corrente su tracce larghe, ma contemporaneamente compromette la capacità di realizzare tracce fini sullo stesso strato. Non è possibile ottenere entrambe le cose con un singolo spessore di rame, poiché il processo di incisione non consente compromessi.

Ciò che funziona davvero.

Ho visto team riuscire a uscire da questo dilemma, e le soluzioni seguono uno schema coerente.

Distribuire gli spessori di rame tra i vari strati.  Posizionare il rame da 2 once e persino da 3 once su uno strato dedicato all’alimentazione, con tracce larghe e poligoni generosi. Posizionare la logica di controllo a passo fine su uno strato da 0,5 oncia o 1 oncia. L’uso di due spessori diversi di rame in un unico stack-up è del tutto standard: la maggior parte dei produttori di PCB multistrato gestisce stack-up con ounce miste senza particolari difficoltà. Il costo della scheda aumenta leggermente. La differenza nel tasso di resa spesso ne compensa il costo.

Mantenere una larghezza di trasmissione di 2 mil sul rame sottile, punto e basta.  Se il progetto richiede effettivamente tracce e spazi di 2 mil — ad esempio per il routing di uscita da un BGA — quella sezione deve essere posizionata su un layer sufficientemente sottile da permettere un’incisione affidabile. Rame da 0,5 oz, unito a un eccellente processo alcalino e a un’imaging LDI, consente di realizzare caratteristiche da 2 mil. Il rame da 2 oz non lo consente, in nessun tipo di fabbrica, con nessun tipo di chimica né con alcuna compensazione CAM. Non è una questione di capacità produttiva; è una questione geometrica.

Allargare prima di modificare il peso del rame. Una pista da 3 A a 1 oz richiede circa 50–60 mil per un incremento moderato di temperatura. A 2 oz, la stessa pista richiede circa la metà — comunque ben al di sopra dei 2 mil. Se l’area di routing non è sufficiente, la soluzione non è utilizzare rame da 2 oz su tracce fini. La soluzione è un piano di alimentazione specializzato oppure uno strato in rame molto più spesso, privo di funzioni fini.  

Richiedere una revisione DFM prima di definire definitivamente lo stack-up, non dopo.  Ogni fabbrica seria offre gratuitamente l’analisi della progettazione per la produzione (DFM) al caricamento del file Gerber. Quelle degne di collaborazione segnaleranno in anticipo, prima dell’invio dell’ordine, una combinazione di tracce da 2 mil e rame da 2 oz, indicando chiaramente quale sarà il tasso di resa. Se il vostro fornitore quotando la vostra scheda con tracce da 2 mil e rame da 2 oz non formula alcun commento, questo è un campanello d’allarme: o produrrà la scheda con un tasso di resa molto basso, trasferendo a voi i costi aggiuntivi, oppure la produrrà comunque, lasciando a voi scoprire il problema durante i test.

Il Verdetto Finale

Rame spesso e tracce sottili non sono una scelta progettuale: sono una contraddizione in termini. L’agente chimico utilizzato per incidere in modo efficace rame da 2 oz è lo stesso che elimina tracce da 2 mil, e nessuna ottimizzazione del processo può modificare questo rapporto. La matematica del fattore di incisione è pubblica, stabile e indifferente alle scadenze.

I gruppi che consegnano in tempo le schede ad alta corrente hanno capito questo empiricamente: posizionare il rame dove scorre la corrente, posizionare la risoluzione dove viaggiano i segnali e mai chiedere a un singolo strato di rame di fare entrambe le cose. Ogni scheda da 2 mil/2 oz che abbia mai visto realizzata è stata effettivamente o un prototipo con basso rendimento, un’indagine su guasti sul campo in attesa di verificarsi oppure una lezione estremamente costosa sulla chimica della corrosione. Nessuna di esse è stata spedita due volte.