Hvorfor ødelegger 2 oz kobber 2 mil spor?

Hvorfor ødelegger 2 oz kobber 2 mil spor?

Matematikken for side-etsing som ingen vil regne ut

For to år siden ringte en kundes tekniske leder meg om en katastrofe knyttet til produksjon av printkretskort. De hadde helt sikkert laget et strømforsyningskort med sporbredde på 2 mil og avstand mellom sporene på 2 mil i kontrollområdet, og angitt 2 oz kobber gjennom hele lagoppbygningen slik at kraftsporene kunne lede strømmen. De nakne kortene kom tilbake med en utbyttegrad på ca. 40 %. Forbindelseskontrollen avslørte dusinvis av døde forbindelser per plate. Under mikroskopet så sporene i kontrollområdet ikke tynne ut – de så ut som om de hadde blitt sandblåst. Noen var helt borte.

Her er den ubehagelige delen: dette kortet var dømt fra det øyeblikket designreglene ble skrevet. Produsenten gjorde ikke feil. Lovene for våt kjemi overtok bare designet.

Tallene du må ta til deg før du begynner

La oss sette spesifikasjonen i enheter som gjør problemet tydelig.

En 2 mil bred spor er 50,8 mikrometer bred. 2 oz kobber er 70 mikrometer tykk. Les det igjen: kobberaluminiumfolien er 38 % tykkere enn sporets bredde. Du ber etsvæsken om å forme en struktur som er høyere enn den er bred – altså en 70 mikrometer høy vegg som står på en 50 mikrometer bred base. Deretter ber du den gjøre nøyaktig det samme på området rett ved siden av, 2 mil unna.

Fuktig etsing er isotrop. Kjemiens reaksjon skiller ikke mellom «ned» og «sidover». Den angriper kobberet sidover med nesten samme hastighet som den angriper vertikalt. Bransjen måler dette med etsfaktoren – forholdet mellom vertikal etsdybde og sideundergravning per side. I produksjon brukes etsfaktorer mellom 2,5 og 4,0, avhengig av kjemi, utstyr og prosesskontroll. Syrlig kobberklorid på indre lag har vanligvis en etsfaktor på 3,0 til 3,5. Alkaliske systemer på ytre lag har lavere verdier, typisk 2,5 til 3,0.

Regn ut med en etsfaktor på 3,0 for 2 oz kobber:

Nødvendig vertikal etsdybde: 70 mikrometer

Side undercut per side: 70 ÷ 3.0 ≈ 23 mikrometer

Total breddeforringelse på begge sider: ca. 46 mikrometer

Av en 50,8-mikrometer bred spor tar etchvæsken bort 46 mikrometer. Det som står igjen er en 4,8-mikrometer tykk splitt – dersom den i det hele tatt overlever prosessen. Ved en etchfaktor på 3,5 blir sporets bredde ca. 10 mikrometer. Uansett er det en knivskarpe kant, ikke en leder. Den kan ikke lede strøm, oppnår ikke målverdier for motstand og tåler knapt håndtering før den brister.

Og hva med 2 mil avstand? Den samme 23-mikrometer sideundercutten på hver sporkant reduserer avstanden fra 50 mikrometer til ca. 4 mikrometer. Farene for kobberbroer, mikro-kortslutninger og dendrittvekst over tid øker kraftig.

Dette er ikke et utbytteproblem. Dette er et fysikkproblem som skjuler seg bak et utbytteproblem.

Hvorfor «Leverandøren finner ut av det» ikke fungerer

Her er komponenten som ofte blir klandret. Engraveringskompensasjon – CAM-prosessen der man utvider designet for å kompensere for underskåring – er standardpraksis i alle seriøse fabrikker. En god produsent justerer gjerne et 5 mil stort design til 5,5 eller 6 mil slik at den ferdige sporet blir nøyaktig 5 mil bredt. Dette fungerer perfekt når kompensasjonen utgjør en liten brøkdel av egenskapens dimensjon.

Dette svikter fullstendig når egenskapen allerede ligger på grensen til det mulige.

For å oppnå en ferdig 2 mil bred spore etter ca. 46 mikrometer total undergravning, må kunstverket starte på ca. 97 mikrometer – nesten 4 mil bredt. For tiden bryter beregningsmodellen sammen: To 4 mil brede kunstverksporer plassert 2 mil fra hverandre i designet betyr at de faktiske sporene på platen er bare ca. 51 mikrometer fra hverandre. Resistlaget klarer ikke å overleve dette. Etsvæsken undergraver og løfter det, og resultatet blir uforutsigbar, ragget etsing over hele laget. Fint-linje-etsing på tykk kobber degraderer ikke gradvis – den svikter kaotisk.

Dette er grunnen til at sektorens tabeller over minimumsbanestykkers størrelse gjennomgår de metodene de bruker. For 1 oz kobber er et 3 mil banestykke grensen. For 2 oz øker den funksjonelle minimumsbredden til 5 mil. Ved 3 oz er den 9 mil. Ved 4 oz er den 12 mil. Dette er ikke tradisjonelle antakelser – det er de størrelsene der graveringens avsetning slutter å være en usikkerhet. Design et 2 mil banestykke på et 2 oz-lag, og du ber om en prosess som ikke finnes utenfor forskningslaboratorier.

Hva skjer virkelig under tilbakeføring

Ytelsesnedgangen er ikke subtil. I min erfaring fra ca. 30 tungkobber-PCB-prosjekter de siste tre årene følger mønsteret dette:

Banestykkets bredde under ca. 3 ganger kobbertettheten: utbytte i området 35–55 %, med feil som hovedsakelig er åpne forbindelser og nesten-åpne forbindelser

Banestykkets bredde rundt 4 ganger kobbertettheten: utbytte i området 70–85 %, med periodisk ustabilitet i isolasjonsegenskapene

Banestykkets bredde ved 5 ganger kobbertettheten eller mer: utbyttet gjenopprettes til 95 % eller mer.

De mest skremmende sviktene er ikke de døde kortslutningene. Det er de intermittente åpningene – spor som klarer tilkoblingstesting på fabrikken fordi de består av en 5-mikrometer tykk filament som til slutt sprer seg under termisk syklisering eller resonans og feiler i feltet seks måneder senere. Jeg har sporet feltfeil tilbake til kretskort som klarte elektrisk testing på fabrikken med utmerket karakter. Sporet så ut til å være i orden på AOI-bildene. Ingen røntgenkontrollerte hvert 2-mil-spor, og de som var ingravert ned til hårtykkelse var umerkelige inntil de brakk.

Det finnes også historien om motstanden. Selv når et tynt spor klarer seg gjennom, er tverrsnittet ikke lenger rektangulært – det er trapesformet, bredt nederst og tynt øverst. Regulert motstandsdyktighet beregnes ut fra rektangulær geometri. En trapezformet  sporet flytter den faktiske impedansen bort fra målet i en prosess som avhenger av lagoppbyggingen og underskåringen. For differensielle sett: feilmaterialene gjør at sporene blir smalere og avstanden mellom dem øker, så differensiell impedansavvik blir større enn for enkeltstående signaler. Kretskort som «må» ha 100 ohm, målte 96 ohm. Kretskort på 90 ohm målte 87 ohm. Minimale oppsett gikk helt utenfor spesifikasjonen.

Hvor denne spesifikasjonen kommer fra – og hvorfor den er feil.

Jeg vil være rettferdig mot designere som ber om 2 mil/2 oz. Ingen definerer denne kombinasjonen som utfordrende. Resonnementet ser vanligvis slik ut: «Jeg trenger 3 A på denne strømforsyningslinjen; kalkulatoren viser at et spor med 1 oz kobber må være X bredt for det, så jeg velger 2 oz og holder sporet smalt.» Eller: «Plassen er begrenset, og 2 oz lar meg redusere bredden på strømsporene.»

Feilen ligger i å behandle kobbertykkelse som en justerbar parameter som bare påvirker strømbelastningsevne. Det er den ikke – den er en justerbar parameter som påvirker hele lagets egenskaper. minimum sporstørrelse og avstand  sammen med det. Tykkere kobber gir deg strømhåndtering på brede spor, men ødelegger samtidig evnen til å rute noe stort på nøyaktig samme lag. Du kan ikke ha begge deler på én kobbertykkelse, siden etsingsprosessen ikke forhandler.

Hva som virkelig fungerer.

Jeg har sett team unngå denne fella, og løsningene følger et konsekvent mønster.

Del opp kobbertykkelsene over lagene.  Plasser 2 oz og til og med 3 oz kobber på et dedikert strømlag med brede spor og generøse polygoner. Plasser kontrolllogikken med fin pitch på et 0,5 oz- eller 1 oz-lag. To kobbertykkelser i én lagoppbygning er helt vanlig – de fleste multilags-PCB-fabrikker håndterer lagoppbygninger med blandede uncer uten dramatikk. Kostnaden for kortet blir litt høyere. Forskjellen i utbytte betaler ofte for dette flere ganger over.

Hold deg til 2 mil sporing på tynn kobber, punktum.  Hvis designet virkelig krever 2 mil brede spor og avstand – for eksempel for BGA-utgangsretning – må den delen ligge på et lag som er tilstrekkelig tynt til å etses pålitelig. 0,5 oz kobber med en utmerket alkalisk linje og LDI-avbildning kan beholde 2 mil-egenskaper. 2 oz kobber kan ikke det, uansett hvilken fabrikasjonsmetode, kjemi eller CAM-kompensasjon som brukes. Det er ikke et spørsmål om kapasitet, men om geometri.

Utvid sporene før du endrer kobbertykkelsen. En 3-ampers strømforsyning ved 1 oz krever ca. 50–60 mil brede spor for en moderat temperaturøkning. Ved 2 oz trenger samme strømforsyning ca. halvparten av dette – fortsatt langt mer enn 2 mil. Hvis ruteområdet virkelig ikke har plass til dette, er løsningen ikke 2 oz kobber på fine spor. Løsningen er et spesialisert strømplan eller et mye tykkere kobberlag uten fine strukturer på det.  

Be om en DFM-vurdering før du fastlegger oppbygningen, ikke etterpå.  Alle seriøse produsenter tilbyr kostnadsfri layout for fremstillingssikkerhet ved Gerber-opplasting. De som er verdt å samarbeide med, vil merke opp en 2 mil/2 oz-kombinasjon før ordren legges inn og fortelle deg hva avviket vil bli. Hvis leverandøren din anslår prisen på ditt 2 mil/2 oz-kort uten å si et eneste ord, er det et advarselssignal – enten vil de lage det med svært dårlig avvik og legge kostnadene til deg, eller så vil de lage det og la deg oppdage problemet under testing.

Det som er viktigast

Tykk kobber og smale baner er ikke en designvalg – det er en selvmotsigelse. Etchvæsken som gjør 2 oz-kobber nyttig, er den samme etchvæsken som fjerner 2 mil-baner, og ingen mengde prosesskunnskap endrer forholdet. Etch-faktor-matematikken er offentlig, stabil og bryr seg ikke om frister.

Gruppene som leverer høystrømskretskort i tide fant ut av dette manuelt: plasser kobber der strømmen går, plasser oppløsningen der signalene er, og be aldri én kobberlag om å gjøre begge deler. Hvert 2 mil/2 oz-kort jeg noensinne har sett laget har enten vært en prototype med lav utbytte, en undersøkelse av feil i felt som bare venter på å skje, eller en ekstremt dyr læreprosess innenfor etsjekjemi. Ingen av dem ble levert to ganger.