Mengapa Tembaga 2oz Memusnahkan Jejak 2mil?

Mengapa Tembaga 2oz Memusnahkan Jejak 2mil?

Matematik Pengukiran Sisi yang Tiada Siapa Mahu Lakukan

Dua tahun lalu, penyelia kejuruteraan pelanggan menghubungi saya berkenaan bencana pembuatan PCB. Mereka pasti telah mereka papan bekalan kuasa dengan lebar jejak 2mil dan jarak 2mil untuk kawasan kawalan, serta menetapkan tembaga 2oz di seluruh susunan supaya laluan kuasa mampu membawa arus. Papan kosong dikembalikan dengan hasil sekitar 40%. Penyaringan sambungan mengesan puluhan sambungan mati setiap panel. Di bawah mikroskop, jejak dalam kawasan kawalan tidak kelihatan nipis—malah kelihatan seperti telah dilontar pasir. Sebilangan daripadanya hilang sepenuhnya.

Inilah bahagian yang canggung: papan itu sudah ditakdirkan gagal sejak peraturan rekabentuk ditetapkan. Pengeluar tidak melakukan kesilapan. Hukum kimia lembap secara semula jadi mengatasi rekabentuk.

Nombor-Nombor yang Perlu Mengingatkan Anda Sebelum Anda Bermula

Mari kita nyatakan spesifikasi dalam unit yang menjadikan masalah ini jelas.

Jejak 2 mil mempunyai saiz 50.8 mikron. Ketebalan tembaga 2 oz ialah 70 mikron. Baca sekali lagi: keratan aluminium tembaga adalah 38% lebih tebal daripada jejak itu lebar. Anda meminta bahan pengetch untuk mengukir struktur yang lebih tinggi daripada lebarnya—iaitu dinding setinggi 70 mikron berdiri di atas impak 50 mikron. Kemudian, anda meminta proses yang sama dilakukan pada kawasan bersebelahan, sejauh 2 mil dari sini.

Pengetchan basah bersifat isotropik. Kimia tidak dapat mengenal pasti arah mana yang ‘ke bawah’. Ia menyerang tembaga secara melintang hampir pada kadar yang sama seperti serangan menegak. Industri menilai ini dengan faktor pengetchan—nisbah kedalaman pengetchan menegak kepada pengurangan sisi (undercut) bagi setiap sisi. Dalam pengeluaran, faktor pengetchan biasanya berada antara 2.5 dan 4.0 bergantung kepada bahan kimia, peralatan, dan kawalan proses. Larutan kuprik klorida berasid pada lapisan dalam biasanya mempunyai nilai 3.0 hingga 3.5. Sistem beralkali pada lapisan luar mempunyai nilai lebih rendah, iaitu sekitar 2.5 hingga 3.0.

Lakukan pengiraan menggunakan faktor pengetchan 3.0 pada tembaga 2 oz:

Kedalaman pengetchan menegak yang diperlukan: 70 mikron

Kemerosotan sisi setiap sisi: 70 ÷ 3.0 ≈ 23 mikron

Jumlah kehilangan lebar keseluruhan pada kedua sisi: ~46 mikron

Daripada jejak 50.8 mikron, bahan pengakis menghilangkan 46 mikron. Yang tinggal hanyalah jalur sebesar 4.8 mikron—jika ia masih bertahan sama sekali. Dengan faktor pengakis 3.5, lebar jejak menjadi kira-kira 10 mikron. Walau bagaimanapun, ia seperti tepi bilah, bukan konduktor. Ia tidak mampu mengalirkan arus, gagal memenuhi sasaran rintangan, dan hampir tidak tahan terhadap penanganan sebelum patah.

Bagaimana pula dengan jarak 2 mil? Kemerosotan 23 mikron yang sama pada setiap tepi jejak mengurangkan jarak dari 50 mikron kepada kira-kira 4 mikron. Risiko pembentukan jambatan tembaga, litar pintas mikro, dan pertumbuhan dendrit dalam masa akan meningkat secara mendadak.

Ini bukan isu hasil keluaran. Ini adalah isu fizik yang berpura-pura sebagai isu pulangan.

Mengapa "Pembekal Akan Menyelesaikannya" Tidak Berkesan

Ini adalah komponen yang sering dipersalahkan dalam permainan menyalahkan. Engraving payment—proses CAM untuk memperluas seni grafis guna mengimbangi undercut—adalah amalan piawai di setiap fab yang serius. Seorang pengeluar yang baik akan menyesuaikan saiz seni grafis 5 mil menjadi 5.5 atau 6 mil supaya lebar jejak akhir tetap 5 mil. Kaedah ini berfungsi sempurna apabila pampasan hanya sebahagian kecil daripada dimensi ciri.

Kaeduannya gagal sepenuhnya apabila ciri tersebut sudah berada di had tepi kemampuan yang mungkin.

Untuk mendapatkan jejak siap pakai berukuran 2 mil selepas pengurangan keseluruhan sebanyak kira-kira 46 mikron, seni lukis tersebut perlu bermula pada ketebalan kira-kira 97 mikron—hampir 4 mil. Ketika ini, pengiraan jarak antara jejak menjadi tidak stabil: dua jejak seni lukis lebar 4 mil yang diletakkan berjarak 2 mil antara satu sama lain dalam rekabentuk bermaksud jarak sebenar antara ciri-ciri tahan tersebut di papan hanya kira-kira 51 mikron. Bahan rintang tidak mampu bertahan dalam keadaan sedemikian. Bahan pengakis menggerunkan dan mengangkatnya, lalu menghasilkan proses pengaksian yang tidak menentu dan tidak rata di seluruh lapisan. Pengaksian garis halus pada tembaga tebal tidak berkurangan secara beransur-ansur—ia gagal secara kacau bilau.

Inilah sebabnya jadual saiz jejak minimum sektor ini mengkaji kaedah yang digunakannya. Untuk tembaga 1oz, jejak 3mil merupakan had terkecil yang boleh dicapai. Untuk tembaga 2oz, saiz minimum berfungsi melonjak kepada 5mil. Pada tembaga 3oz, ia menjadi 9mil. Pada tembaga 4oz, ia adalah 12mil. Nilai-nilai ini bukan anggapan tradisional—tetapi saiz di mana penyesuaian ukiran berhenti menjadi satu teka-teki. Reka bentuk atribut 2mil pada lapisan 2oz bermaksud anda meminta proses yang tidak wujud di luar makmal kajian.

Apa Sebenarnya Berlaku Semasa Proses Pemulangan

Keruntuhan hasil bukanlah perkara halus. Berdasarkan pengalaman saya dalam lebih kurang 30 projek PCB tembaga tebal dalam tempoh tiga tahun kebelakangan ini, coraknya adalah seperti berikut:

Saiz jejak di bawah ~3 kali ketumpatan tembaga: hasil berada dalam julat 35–55%, dengan kegagalan didominasi oleh keterbukaan penuh dan hampir tertutup

Saiz jejak sekitar 4 kali ketumpatan tembaga: hasil berada dalam julat 70–85%, dengan hanyutan ketidakpekaan berkala

Lebar jejak pada 5 kali ketumpatan tembaga atau lebih: hasil pulih sehingga 95% ke atas.

Kegagalan yang paling menakutkan bukanlah litar pintas mati. Sebaliknya, ia adalah litar terbuka tidak sekata—jejak yang lulus ujian sambungan di kilang kerana ia merupakan filamen 5 mikron pada mulanya, kemudian retak akibat kitaran suhu atau resonans dan gagal di medan enam bulan kemudian. Saya telah mengesan kegagalan di medan hingga ke papan litar yang lulus ujian elektrik di kilang dengan cemerlang. Jejak tersebut kelihatan normal dalam imej AOI. Tiada siapa yang menjalankan sinar-X ke atas setiap jalur lebar 2 mil, dan yang telah terukir sehingga sehalus rambut tidak dapat dikesan sehingga ia putus.

Terdapat juga kisah rintangan. Walaupun jejak nipis berjaya melepasi proses, keratan rentasnya tidak lagi berbentuk segi empat tepat—ia berbentuk trapezium, lebar di bahagian bawah dan sempit di bahagian atas. Ketahanan terkawal dikira berdasarkan geometri berbentuk segi empat tepat. A trapezoidal  jejak mengalihkan ketahanan sebenar sasaran dalam arahan yang bergantung pada susunan berlapis dan pengurangan lebar jejak. Bagi set pembezaan, ralat bahan: jejak menjadi lebih sempit dan jarak di antara keduanya menjadi lebih besar, maka ketahanan pembezaan berubah lebih banyak berbanding jenis tunggal. Papan yang "perlu" mencapai 100 ohm diukur pada 96. Papan pada 90 ohm diukur pada 87. Susun atur minimum keluar sepenuhnya daripada spesifikasi.

Asal-usul Spesifikasi Ini—dan Mengapa Ia Salah.

Saya ingin adil terhadap pereka yang meminta 2 mil/2 oz. Tiada siapa yang menetapkan kombinasi itu sukar. Alasan biasanya seperti ini: "Saya perlukan arus 3 amp pada rel kuasa ini; kalkulator menyatakan jejak 1 oz perlu selebar X untuk itu, jadi saya akan gunakan 2 oz dan kekalkan jejak sempit." Atau: "Ruang terhad. Dengan 2 oz, saya boleh mengecilkan jejak kuasa."

Kesilapan ialah menganggap berat tembaga sebagai tombol yang hanya mempengaruhi keupayaan arus. Bukan begitu—ia adalah pemegang yang menarik keseluruhan lapisan. saiz dan jarak jejak minimum  bersamanya. Tembaga yang lebih tebal memberi anda keupayaan mengendali arus pada jejak besar dan serentak merosakkan kapasiti anda untuk menjejaki apa-apa yang besar pada lapisan yang sama. Anda tidak boleh mempunyai keduanya pada satu berat tembaga, kerana prosedur pengukirannya tidak boleh dirundingkan.

Apa yang Sebenarnya Berfungsi.

Saya telah melihat pasukan terlepas dari jerat ini, dan penyelesaiannya mengikuti corak yang konsisten.

Bahagikan berat tembaga di seluruh lapisan.  Letakkan tembaga 2oz dan bahkan 3oz pada lapisan kuasa khusus dengan jejak lebar dan poligon yang murah hati. Letakkan logik kawalan pitch halus pada lapisan 0.5 oz atau 1oz. Dua berat tembaga dalam satu susunan lapisan adalah sepenuhnya standard—kebanyakan kilang PCB berbilang lapisan mengurus susunan lapisan bercampur-ons tanpa dramatisasi. Kos papan sedikit lebih tinggi. Perbezaan hasil sering kali membayar kos tambahan ini.

Kekalkan transmisi 2mil pada tembaga nipis, tanpa pengecualian.  Jika reka bentuk benar-benar memerlukan jejak 2 mil dan ruang—sebagai contoh, untuk pengarah keluar BGA—bahagian itu harus diletakkan pada lapisan yang cukup nipis untuk menghasilkannya secara boleh percaya. Tembaga 0.5 oz dengan garis alkali yang sangat baik dan imej LDI mampu mengekalkan ciri-ciri 2 mil. Tembaga 2 oz tidak mampu melakukannya dalam sebarang jenis kilang, sebarang bahan kimia, atau sebarang jenis pemadanan CAM. Ini bukan soal keupayaan; ini soal geometri.

Lebarkan jejak sebelum anda tukar berat tembaga. Rel 3 amp pada ketebalan tembaga 1 oz memerlukan jejak kira-kira 50–60 mil untuk lonjakan suhu sederhana. Pada ketebalan tembaga 2 oz, rel yang sama hanya memerlukan kira-kira separuh daripada itu—tetap jauh lebih besar daripada 2 mil. Jika kawasan pengecoran benar-benar tidak mencukupi, jawapannya bukanlah menggunakan tembaga 2 oz pada jejak halus. Jawapannya ialah menggunakan satah kuasa khas atau lapisan tembaga yang jauh lebih tebal tanpa ciri-ciri halus di atasnya.  

Minta ulasan DFM sebelum menetapkan susunan lapisan, bukan selepas.  Setiap pengilang serius menawarkan susun atur percuma untuk kajian kemudahan pembuatan apabila fail Gerber dimuat naik. Mereka yang layak untuk diperdagangkan akan menandakan campuran 2mil/2oz sebelum pesanan dibuat dan memberitahu anda apa hasil kembali yang dijangkakan. Jika pengilang anda mengutip harga papan 2mil/2oz tanpa sebarang komen, itu merupakan tanda amaran—sama ada mereka akan membuatnya dengan hasil kembali yang teruk dan membebankan kos tersebut kepada anda, atau mereka akan membuatnya dan membiarkan anda menemui masalah tersebut semasa ujian.

Kesimpulannya

Tembaga tebal dan garisan halus bukan pilihan rekabentuk—ia adalah pertentangan dalam istilah. Bahan pengakis yang menjadikan tembaga 2oz berkesan adalah sama dengan bahan pengakis yang menghilangkan garisan 2mil, dan tiada jumlah kecemerlangan proses yang dapat mengubah nisbah tersebut. Matematik faktor pengaksian adalah awam, stabil, dan tidak peduli dengan tarikh sasaran.

Kumpulan-kumpulan yang menghantar papan arus tinggi mengikut jadual telah mengetahui perkara ini secara manual: letakkan tembaga di tempat arus wujud, letakkan resolusi di tempat isyarat berada, dan jangan pernah meminta satu lapisan tembaga melakukan kedua-dua tugas tersebut. Setiap papan 2mil/2oz yang pernah saya lihat dibuat sebenarnya adalah sama ada prototip hasil keluaran rendah, siasatan kegagalan di medan yang sedang menunggu berlaku, atau pelajaran mahal mengenai kimia pengukiran. Tiada satupun yang dihantar dua kali.