Почему ваши проводники шириной 4 мил возвращаются шириной 3,5 мил, а слои смещаются на 2 мила?

Почему ваши проводники шириной 4 мил возвращаются шириной 3,5 мил, а слои смещаются на 2 мила?

Смещение размеров, которым никто не обладает

В данных о компоновке указано 4 мил. Итоговая плата составила 3,5 мил. И это ещё удача. Худшая новость касалась регистрации между слоями: внутренние слои сместились относительно друг друга на 2 мила во время ламинирования , что означало, что отверстия под сверление более не центрированы относительно их кольцевые кольца  на двух из шести слоёв. Платы прошли функциональное тестирование. Они прошли первоначальную оценку заказчика. После этого параметр устойчивости в высокоскоростной паре отклонился от заданного значения на 7 Ом, и группа анализа отказов начала разбирать стек-ап.

обе проблемы были видны в исходной производственной партии, если бы кто-нибудь их искал. размера проводника  находился внутри полосы сопротивления производителя — едва ли. Смещение при регистрации находилось в пределах аналитической зоны, которую процесс завода фактически всегда генерировал. Ничто не провалило оценку. Ничто не вышло за пределы спецификации. Платы просто содержали количество двумерных погрешностей, которые каждый производитель считал «типичными», и их совокупность делала достижение целевых показателей эффективности изделия невозможным.

В этой статье речь идёт о двух тихих процессах, которые поглотили маржу: потери при формировании изображения  и усадка внутренних слоёв . Ни один из них не является экзотическим. Оба поддаются измерению, контролю и систематически игнорируются — до тех пор, пока осциллограф заказчика не покажет иное.

0,5 мил, которые исчезли: откуда берутся потери при формировании изображения

Трасса шириной 4 мил в настоящее время работает на пределе возможностей обычного материала FR-4. Это тот фактор, при котором самые дешёвые и наиболее отработанные в отрасли процессы — полностью сухая фотопечать, прямое УФ-облучение и влажное травление — начинают демонстрировать свои геометрические ограничения. Разница между нарисованными вами 4 мил и полученными 3,5 мил — это не одна ошибка. Это совокупность множества мелких ошибок, каждая из которых по отдельности допустима, но которые в сумме дают потерю ширины на 12,5 %:  

Дрейф мощности облучения. Фоторезист полимеризуется под действием УФ-света. При недостаточной мощности неподвергшиеся облучению края рисунка не затвердевают полностью — они растворяются в проявке, в результате чего линии получаются уже, чем задано в чертеже. Мощность облучения изменяется со временем старения источника света, температурой и скоростью конвейера. На фильмовой  линии облучения источник света, мощность которого на 10 % ниже нормы, незаметно уменьшает каждый элемент на каждой плате на 0,1–0,2 мил.  

Параметры проявки.  Химический состав проявителя имеет определённый температурный диапазон и концентрационное окно. Если проявитель работает в тёплом режиме или его состав смещается в сторону повышенной концентрации, программатор начинает частично растворять полимеризованный резист — это явление называется чрезмерным проявлением . Результат соответствует фирменному знаку: мелкие элементы теряют чёткость, а грубые остаются нетронутыми. Если линии шириной 4 мил теряют ширину, а площадки шириной 10 мил — нет, первым подозреваемым является чрезмерное проявление.  

Вариация плотности выдержки.  Сухой резист в виде плёнки доступен в небольших плотностях, однако рулон, которому уже три недели и который хранился неправильно, может значительно изменить свои свойства. Более тонкие слои обеспечивают меньшую защиту во время травления, что приводит к увеличению бокового подтрава — подтрава при травлении  , о котором шла речь в предыдущих кратких материалах и который вызывает потери изображения на следующем этапе.  

Коэффициент травления.  Какой бы ни была ширина, сохраняющаяся после нанесения изображения, травитель затем удаляет ещё некоторую часть — обычно 20–30 мкм в сумме с обеих сторон проводника толщиной 1 унция, и больше — при более толстом медном слое. Стиль с шириной 4 мил, теряющий 0,4 мил на этапе нанесения изображения и ещё 0,3 мил из-за подтрава, поступает к заказчику шириной 3,3–3,5 мил. Ни одно отдельное действие не привело к сбою. Просто бюджетный план был отменён.

2 мил, которые переместились: почему внутренние слои отказываются оставаться на месте

Совмещение слоёв  в многослойной плате — это борьба с материалами, физические размеры которых буквально изменяются в процессе обработки. Фольгированный стеклотекстолит, поступающий на линию в виде плоской панели, уже не сохраняет исходные размеры после травления, оксидирования и ламинирования. Он уменьшается. Вопрос не в том, уменьшится ли он — а насколько, в каком направлении и достаточно ли согласованы эти изменения, чтобы их можно было компенсировать.  

Физика этого уменьшения определяется двумя факторами:

Структурой стеклоткани .ламината  стеклоткань имеет направление переплетения — основа (по длине) и уток (по ширине), — а смола и стекло по-разному реагируют на тепло и давление при ламинировании. Панели уменьшаются в разных направлениях неравномерно, обычно в соотношении 2:1. Если сокращение по основе составляет 0,02 %, то по утку оно может достигать 0,04 %. На панели длиной 18 дюймов это даёт разницу около 1,5 мил между двумя направлениями — ещё до учёта любых других погрешностей.  

Течение смолы и коррекция во время ламинирования преформа плавится, течёт и образует поперечные связи. Количество течения зависит от давления, скорости повышения температуры и содержания смолы в преформе. Чем больше течение, тем больше перемещение, однако оно неоднородно по всей панели: края текут иначе, чем центр, а толстые панели ведут себя иначе, чем тонкие. Внутренние слои, уже нанесённые, смещаются под действием движения смолы. Их конечное положение определяется материалом, технологическим процессом и случайными факторами.

Решение рынка — снижение платежа :Камера программное приложение расширяет внутренние слои печатной платы с помощью статистического коррекционного элемента, поэтому слои уменьшаются до оптимальных размеров в процессе ламинирования. Этот метод хорошо работает при постоянстве материала, стабильности технологического процесса и предсказуемости усадки. Он перестаёт работать корректно при любом изменении — например, при смене партии препрега, использовании другого типа стеклоткани или колебаниях влажности в зависимости от сезона, — поскольку коррекционный элемент основан на исторических данных, а не на текущих характеристиках материала.

Вот как выглядит смещение на 2 мил. Рисунок был скорректирован с учётом усадки на 0,03 %. Фактическая усадка материала составила 0,045 %. Разница — 2 мила на панели длиной 24 дюйма — проявляется как несоосность слоёв, смещение центров отверстий и кольцевые площадки, которые уже не являются концентрическими.

Когда две ошибки совпадают

По отдельности ни одна из этих ошибок не является катастрофой. Проводник шириной 3,5 мила обеспечивает достаточную токопроводимость для большинства применений. Смещение регистрации на 2 мила остаётся незаметным во многих компоновках.

Вместе же они образуют совсем другую проблему:

Контроль неподверженности снижается контролируемые значения сопротивления рассчитываются с учётом точной ширины проводника, точной толщины диэлектрика и точной массы меди. Потеря ширины на 0,5 мил плюс отклонение толщины диэлектрика из-за неравномерного ламинирования может сместить дифференциальную пару на 100 Ом до 93 или 107 Ом. Кремний по-прежнему работает. Однако запас по достоверности сигнала исчез, и трассировка, «прошедшая» электрическое моделирование, теперь перестаёт работать в адаптере.

Запасы по кольцевому выступу исчезают.  Aчерез  требуется медь вокруг сверленого отверстия — кольцевой выступ. Сверло, отклонившееся на 2 мил от заданной позиции, при кольцевом выступе 3 мил оставляет всего 1 мил меди с одной стороны. Это соответствует многим требованиям допусков, но также означает, что соединение находится всего в одном термоцикле от повреждения. Отверстие ещё не разрушилось, однако это — инфаркт, ожидающий своего часа.

Маршрутизация выхода из BGA терпит неудачу.  Плотная трассировка под BGA с мелким шагом использует каждый доступный микрон. Потеря размера на 0,5 мил плюс изменение слоя на 2 мила превращает «трассируемую» плату в «обрывы на третьем слое, которые обнаруживаются только при рентгеновском контроле».

Что действительно обеспечивает честность значений ёмкости

Положительная сторона заключается в том, что каждый из этих дрейфов поддаётся измерению, а управление размерами определяет контроль:  

Калибруйте линию формирования изображения, а не только готовую плату.  Контролируйте энергию экспонирования и состав химии программатора через заданные интервалы времени. Запускайте код повышения разрешения — тестовый шаблон с линиями от 5 мил до 2 мил — ежедневно через линию и фиксируйте измеренные ширины. Этот код выявляет дрейф на стадии формирования тенденции, а не после того, как он уже привёл к снижению выхода годных изделий. Это стандартная процедура контроля, и она является единственным наиболее эффективным действием по сохранению способности формировать тонкие линии.

Используйте LDI там, где требуются высокоточные линии. Лазерное прямое формирование изображения (LDI)  полностью устраняет кинодействие, что исключает искажение пленки, ошибку прямого выравнивания по экспозиции и размерную нерегулярность самого художественного произведения. Системы LDI обеспечивают разрешение признаков на уровне 10–25 мкм — легко укладываются в область 4 мил — и, что значительно важнее, многие производители LDI способны масштабировать изображение под фактическое измеренное сжатие каждой панели, корректируя смещение регистрации слой за слоем, а не статистически. Именно это различие между компенсацией обычного дрейфа и компенсацией дрейфа на конкретной перед вами плате.

Сжатие процедуры происходит на материале, а не на предположении.  Проверьте основной материал и препрег по накладной и сопоставьте элементы оплаты с реальным поведением продукта. Когда коэффициент компенсации более не соответствует измеренному сжатию, пришло время обновить спецификацию веб-камеры — а не продолжать надеяться.

Сверление выполняется по слоям, а не по панели. Исследование рентгеновским излучением — использование рентгеновских меток, напечатанных на внутренних слоях, для определения программы сверления — это стандартное средство выравнивания сверлильных инструментов относительно фактических позиций слоёв. Оно преобразует утверждение «слои должны находиться здесь» в утверждение «слои расположены ниже — просверлите соответствующим образом». Для печатных плат с жёсткими требованиями к ширине кольцевого контакта применение рентгеновской системы позиционирования сверла в сочетании с оценкой каждой отдельной платы является решающим фактором между проблемой выхода годных изделий и стабильностью технологического процесса.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Какова «обычная» потеря ширины проводника при переходе от топологической разводки к готовой плате?

Ответ: При типичной толщине меди 1 унция на квадратный фут и полностью отлаженном технологическом контроле следует ожидать потери 0,2–0,4 мил (процессы экспонирования и травления). Потери 0,5 мил и более в конструкции с шириной проводника 4 мила указывают на превышение допустимых пределов технологического окна — либо параметры экспонирования изменились, либо режим травления слишком агрессивен для заданной толщины меди.

Вопрос: Почему мои слои по-прежнему смещаются, несмотря на использование уменьшенного оседания?

A: Компенсация носит статистический характер — она основана на исторических средних значениях. Она корректирует параметры типового изделия, а не конкретного экземпляра. Новые партии препрега, различия в плетении стеклоткани, колебания влажности и вариации прессов приводят к тому, что реальное отклонение значительно отличается от скомпенсированного значения. Решение заключается в измерении текущего материала и обновлении коэффициента компенсации, а также в применении рентгеновской системы позиционирования сверла для устранения систематических ошибок на этапе сверления.  

Q: Может ли система LDI компенсировать смещение регистрации или только ширину проводников?

A: И то, и другое. LDI устраняет погрешности, вызванные использованием фотопленки (это одна из главных причин потери ширины проводников и искажения рисунка), а многие промышленные системы LDI способны выполнять масштабирование каждого отдельного печатного узла на основе измеренного отклонения — таким образом обеспечивается точная регистрация между слоями именно на конкретной плате, а не на основе теоретического среднего значения.  

Q: При каких габаритах платы смещение в 2 мил становится существенной проблемой?

A: Важен не размер платы, а размер элементов. Смещение на 2 мил безвредно для конструкции с проводниками шириной 10 мил и крупными контактными площадками, но катастрофично для конструкции с проводниками шириной 4 мил и BGA с шагом 0,4 мм. Если минимальный размер элемента близок к технологическому ограничению, ошибка совмещения слоёв не имеет «запаса прочности».  

Q: Как именно определить, окажется ли моя конструкция с проводниками 4 мил под угрозой ещё до получения заказа?

A: Задайте производителю три вопроса: какую допустимую погрешность по ширине проводников он гарантирует для элементов 4 мил, какова его спецификация точности совмещения слоёв и применяется ли рентгеновская наводка сверла при изготовлении многослойных плат. Если ответы неясны или допуск совмещения превышает 3 мила, ваша конструкция находится под угрозой — а в коммерческом предложении об этом не будет сказано.

Запас прочности, который вы не видите, — это запас прочности, который вы не можете позволить себе потерять

Четырёхмиллионная (4 мил) ширина проводника и смещение внутреннего слоя имеют одну и ту же первопричину: контроль размеров рассматривается как статистическая величина, а не как конкретный геометрический параметр. Потеря размера на 0,5 мил и смещение регистрации на 2 мила — это не следствие сбоя отдельного оператора или оборудования. Это накопленная стоимость процедурных «окон», которые никогда не были ужесточены, платёжных элементов, которые никогда не проверялись на реальном продукте, и требований к приёмке, допускающих каждый отдельный дефект, поскольку по отдельности он всегда оставался в пределах допустимого.

Печатные платы с тонкими проводниками выходят из строя не из-за резких, драматических событий. Они перестают работать потому, что запас прочности незаметно уменьшается — по 0,1 мил за раз, на каждой плате, при каждом изменении — до тех пор, пока осциллограф заказчика наконец не зафиксирует сбой.