De ce distruge cuprul de 2 uncii urmele de 2 mil?

De ce distruge cuprul de 2 uncii urmele de 2 mil?

Matematica gravurii laterale pe care nimeni nu intenționează să o facă

Acum doi ani, supervisorul tehnic al unui client mi-a telefonat despre o catastrofă în fabricarea unei plăci de circuit imprimat (PCB). Aceștia proiectaseră cu siguranță o placă de sursă de alimentare cu lățimea traseelor de 2 mil și distanța dintre ele de 2 mil în zona de comandă, specificând în același timp 2 uncii cupru pe întreaga structură stratificată, astfel încât traseele de putere să poată transporta curentul necesar. Plăcile goale au revenit cu un randament de aproximativ 40%. Testarea conexiunilor a evidențiat zeci de circuite defecte pe fiecare panou. La microscop, traseele din zona de comandă nu păreau deloc subțiri — păreau că fuseseră supuse unei prelucrări prin nisip. Unele dispăruseră complet.

Iată partea neplăcută: această placă era condamnată încă de la momentul redactării regulilor de proiectare. Producătorul nu a comis nicio greșeală. Legile chimiei umede au depășit pur și simplu desenul.

Numerele care trebuie să vă avertizeze înainte de a începe

Să exprimăm specificația în unități care evidențiază clar problema.

O urmă de 2 mil este de 50,8 microni lățime. Cuprul de 2 uncii are o grosime de 70 microni. Citiți din nou: folia de aluminiu acoperită cu cupru este cu 38 % mai groasă decât lățimea urmei. Vă adresați soluției de gravură o sarcină de a sculpta o structură mai înaltă decât este lată — practic un perete de 70 microni care stă pe o bază de 50 microni. Apoi îi cereți să execute exact același lucru și pentru zona din vecinătatea imediată, la doar 2 mil distanță.

Gravura umedă este izotropă. Compoziția chimică nu recunoaște care direcție este „în jos”. Atacă cuprul lateral aproape cu aceeași viteză cu care îl dizolvă vertical. Industria evaluează acest fenomen prin factorul de gravură — raportul dintre adâncimea de gravură verticală și subminarea laterală pe fiecare parte. În producție, factorii de gravură se situează între 2,5 și 4,0, în funcție de compoziția chimică, echipamente și controlul procesului. Clorura de cupru acidă, utilizată pentru straturile interioare, are în mod obișnuit valori între 3,0 și 3,5. Sistemele alcaline, folosite pentru straturile exterioare, au valori mai mici, în jur de 2,5–3,0.

Efectuați calculul cu un factor de gravură de 3,0 pentru cuprul de 2 uncii:

Adâncimea necesară de gravură verticală: 70 microni

Subțiere laterală pe fiecare parte: 70 ÷ 3.0 ≈ 23 microni

Pierdere totală de lățime pe ambele părți: ~ 46 microni

Dintr-o urmă cu lățimea de 50,8 microni, reactivul de gravare elimină 46 microni. Rămâne o fâșie de 4,8 microni – dacă reușește să reziste în orice caz. La un factor de gravare de 3,5, urma rezultată are aproximativ 10 microni lățime. În orice caz, este o muchie ascuțită, nu un conductor. Nu poate transporta curent, nu îndeplinește cerințele privind rezistența și abia rezistă manipulării înainte de a se rupe.

Iar spațierea de 2 mil? Aceeași subțiere laterală de 23 microni la fiecare margine a urmei reduce spațierea de la 50 microni la aproximativ 4 microni. Riscul formării de punți de cupru, scurtcircuituri microscopice și creșterea dendritică în timp crește exponențial.

Aceasta nu este o problemă de randament. Este o problemă de fizică care poartă hainele unei probleme de returnare.

De ce «Furnizorul o va rezolva» nu funcționează

Aici se află componenta care este adesea „aruncată în balanță” în jocul acuzărilor. Compensarea plății — procesul CAM de mărire a desenului pentru a compensa subgravarea — este o practică standard în orice fabrică serioasă. Un producător de calitate va ajusta un desen de 5 mil la o dimensiune de 5,5 sau 6 mil, astfel încât trasa finală să aibă exact 5 mil. Această metodă funcționează perfect atunci când compensarea reprezintă doar o fracțiune mică din dimensiunea caracteristicii.

Această metodă eșuează complet atunci când caracteristica se află deja la limita a ceea ce este posibil.

Pentru a obține o urmă finalizată de 2 mil după aproximativ 46 microni de subminare generală, desenul ar trebui să înceapă la aproximativ 97 microni — adică aproape 4 mil lățime. În prezent, calculul distanțelor eșuează: două urme de desen de câte 4 mil lățime, plasate la 2 mil distanță în proiect, înseamnă că distanța efectivă dintre caracteristicile rezistente este doar de circa 51 microni pe panou. Rezistența nu poate supraviețui acestei situații. Soluția de gravare subminează și ridică rezistența, iar rezultatul este o gravare imprevizibilă și neregulată pe întreaga stratificare. Gravarea liniilor fine pe cupru gros nu se degradează treptat — ci eșuează în mod haotic.

Aceasta este motivul pentru care tabelele sectorului privind dimensiunea minimă a traseelor analizează metodele pe care le folosesc. Pentru cupru de 1 oz, un traseu de 3 mil reprezintă limita critică. Pentru cupru de 2 oz, dimensiunea funcțională minimă crește brusc la 5 mil. La 3 oz este de 9 mil. La 4 oz, este de 12 mil. Acestea nu sunt presupuneri tradiționale — ci dimensiunile la care gravarea încetează să fie o probabilitate incertă. Proiectează un atribut de 2 mil pe un strat de 2 oz și ceri un proces care nu există în afara laboratoarelor de cercetare.

Ce se întâmplă, de fapt, cu randamentul

Căderea randamentului nu este subtilă. Din experiența mea în cadrul aproximativ a 30 de proiecte de PCB cu cupru masiv, în ultimii 3 ani, modelul este următorul:

Dimensiunea traseului sub ~3× densitatea de cupru: randamente în intervalul 35–55 %, cu defecțiuni dominante constând în întreruperi complete și aproape întreruperi

Dimensiunea traseului în jurul valorii de 4× densitatea de cupru: randamente în intervalul 70–85 %, cu deriveri periodice ale rezistenței la perturbații

Lățimea traseului la 5× densitatea de cupru sau mai mare: randamentele se restabilesc la peste 95 %.

Cele mai îngrijorătoare defecțiuni nu sunt scurtcircuitările definitive. Sunt deschiderile intermitente — piste care trec testele de conectivitate în fabrică, deoarece filamentul are în cele din urmă doar 5 microni, apoi se sparg sub acțiunea ciclurilor termice sau a rezonanței și eșuează în exploatare la șase luni distanță. Am identificat defecțiuni în exploatare care se trasează înapoi la plăci care au trecut examinarea electrică în fabrică cu note excelente. Pista arăta normal în imaginile AOI. Nimeni nu a efectuat radiografii pentru fiecare pistă de 2 mil, iar cele care erau gravate până la lățimea unui fir de păr rămâneau imperceptibile până în momentul în care se rupeau.

Există și povestea rezistenței. Chiar și atunci când o pistă subțire reușește să treacă, secțiunea sa transversală nu mai este dreptunghiulară — ci trapezoidală, mai largă în partea de jos și mai subțire în partea de sus. Rezistența nominală este calculată pe baza unei geometrii dreptunghiulare. O trapezoidal  trace-ul deplasează insusceptibilitatea reală a țintei într-o instrucțiune care se bazează pe acumulare și pe contul de subcortură. Pentru seturile diferențiale, substanțele de eroare: trace-urile devin mai înguste, iar spațiul dintre ele devine mai mare, astfel încât insusceptibilitatea diferențială derivă mai mult decât cea simplă. Plăcile care «trebuie» să atingă 100 ohmi au fost măsurate la 96. Plăcile la 90 ohmi au fost măsurate la 87. Configurările minime au ieșit complet din specificație.

De unde provine această specificație — și de ce este greșită.

Doresc să fiu corect față de proiectanții care cer 2 mil/2 oz. Nimeni nu definește această combinație ca fiind dificilă. Raționamentul tipic pare așa: «Am nevoie de 3 A pe această linie de alimentare; calculatorul indică faptul că un trace de 1 oz trebuie să aibă lățimea X pentru aceasta, așa că voi folosi 2 oz și voi menține trace-ul îngust.» Sau: «Spațiul este restrâns, iar 2 oz îmi permite să reduc trace-urile de alimentare.»

Eroarea constă în tratarea greutății cuprului ca un buton care influențează doar capacitatea de curent. Nu este așa — este o manetă care afectează întreaga stratificare. dimensiunea minimă a urmelor și distanta dintre ele  împreună cu aceasta. Cuprul mai gros vă oferă gestionarea curentului pe urmele largi, dar distruge simultan capacitatea de a trasa orice element complex pe același strat. Nu puteți avea ambele pe o singură greutate de cupru, deoarece procesul de gravare nu negociază.

Ce funcționează cu adevărat.

Am văzut echipe care au evitat această capcană, iar soluțiile urmează un model constant.

Împărțiți greutățile de cupru între straturi.  Plasați cuprul de 2 oz și chiar 3 oz pe un strat dedicat de alimentare, cu urme largi și poligoane generoase. Plasați logica de comandă cu pas fin pe un strat de 0,5 oz sau 1 oz. Două greutăți de cupru într-o singură structură de straturi este complet obișnuită — majoritatea fabricilor de PCB multistrat gestionează structuri mixte de greutăți fără dramatizare. Costul plăcii este puțin mai mare. Diferența de randament îl compensează adesea de mai multe ori.

Mențineți o lățime de 2 mil pentru urmele de pe cuprul subțire, fără excepții.  Dacă designul necesită cu adevărat o pistă de 2 mil și spațiu — de exemplu, pentru direcționarea ieșirilor BGA — acea secțiune trebuie plasată pe un strat suficient de subțire pentru a permite gravarea fiabilă. Cuprul de 0,5 oz, împreună cu o linie alcalină excelentă și imagistica LDI, poate menține caracteristici de 2 mil. Cuprul de 2 oz nu poate face acest lucru, indiferent de tipul de fabrică, de chimia folosită sau de compensarea CAM aplicată. Nu este o problemă de capacitate; este o problemă de geometrie.

Lărgiți înainte de a schimba greutatea cuprului. O pistă de alimentare de 3 A la 1 oz necesită aproximativ 50–60 mil lățime pentru o creștere moderată a temperaturii. La 2 oz, aceeași pistă necesită aproximativ jumătate din această lățime — totuși mult peste 2 mil. Dacă zona de rutare nu poate acomoda această lățime, soluția nu constă în utilizarea cuprului de 2 oz pe piste fine. Soluția este o planșă de alimentare specializată sau un strat de cupru mult mai gros, fără elemente fine pe el.  

Solicitați o evaluare DFM înainte de a vă angaja în stabilirea stivei, nu după.  Fiecare fabricant serios oferă gratuit analiza proiectului pentru fabricabilitate la încărcarea fișierelor Gerber. Cei care merită să fie luați în considerare vor evidenția în prealabil o combinație de 2 mil/2 oz înainte de plasarea comenzii și vă vor informa despre randamentul obținut. Dacă producătorul dumneavoastră oferă un preț pentru placa cu 2 mil/2 oz fără nicio observație, acest lucru reprezintă un semnal de alarmă — fie o va realiza cu un randament foarte scăzut și vă va transmite costurile suplimentare, fie o va realiza și vă va lăsa să descoperiți problema în faza de testare.

Concluzia finală

Cuprul masiv și liniile subțiri nu constituie o opțiune de proiectare — sunt, de fapt, contradictorii. Soluția de gravare care face posibilă utilizarea cuprului de 2 oz este aceeași soluție care elimină urmele de 2 mil, iar niciun grad de expertiză în proces nu modifică raportul respectiv. Matematica factorului de gravare este publică, stabilă și nu ține cont de termenele limită.

Grupurile care livrează plăci cu curent ridicat în termen au aflat acest lucru prin încercări: plasați cuprul acolo unde este necesar curentul, plasați rezoluția acolo unde sunt semnalele și nu cereți niciodată unui singur strat de cupru să îndeplinească ambele funcții. Fiecare placă de 2 mil/2 oz pe care am văzut-o vreodată realizată a fost, de fapt, fie un prototip cu randament scăzut, fie o investigație privind defectele din teren care urma să aibă loc, fie o lecție extrem de costisitoare privind chimia gravării. Niciuna nu a fost livrată de două ori.