Почему медь толщиной 2 унции разрушает проводники толщиной 2 мил?

Почему медь толщиной 2 унции разрушает проводники толщиной 2 мил?

Математика бокового травления, которую никто не собирается выполнять

Два года назад инженер-руководитель заказчика позвонил мне по поводу катастрофы при изготовлении печатной платы. Они разработали плату источника питания с шириной проводников и расстоянием между ними 2 мил в управляющей зоне и указали медь толщиной 2 унции по всему многослойному пакету, чтобы силовые цепи могли пропускать требуемый ток. Готовые платы вернулись с выходом около 40 %. Тестирование соединений выявило десятки обрывов на каждой панели. Под микроскопом проводники в управляющей зоне выглядели не просто тонкими — они будто были подвергнуты пескоструйной обработке. Некоторые из них полностью исчезли.

Вот неловкий момент: эта плата была обречена с того самого момента, как были заданы правила проектирования. Производитель не допустил ошибки. Законы влажной химии просто пересилили конструкторское решение.

Цифры, от которых вам нужно отказаться до начала работы

Приведём технические параметры в единицах, которые наглядно покажут проблему.

Проводник толщиной 2 мил имеет ширину 50,8 мкм. Медь толщиной 2 унции имеет толщину 70 мкм. Прочитайте это ещё раз: фольга из меди толще проводника на 38 %. Вы требуете от травителя создать структуру, высота которой превышает её ширину — по сути, стенку высотой 70 мкм, стоящую на основании шириной 50 мкм. Затем вы требуете выполнить то же самое для соседнего участка, расположенного всего в 2 мил от первого.

Влажное травление является изотропным. Химический раствор не различает направление «вниз». Он воздействует на медь вбок почти с той же скоростью, что и в вертикальном направлении. На практике это оценивают с помощью коэффициента травления — соотношения глубины вертикального травления к боковому подтраву с каждой стороны. В производственных условиях коэффициенты травления обычно находятся в диапазоне от 2,5 до 4,0 в зависимости от химического состава раствора, оборудования и точности контроля процесса. Кислый хлорид меди при травлении внутренних слоёв обычно даёт коэффициент 3,0–3,5. Щелочные системы при травлении внешних слоёв дают более низкие значения — примерно 2,5–3,0.

Выполните расчёт при коэффициенте травления 3,0 и меди толщиной 2 унции:

Требуемая глубина вертикального травления: 70 мкм

Боковое подрезание с каждой стороны: 70 ÷ 3.0 ≈ 23 микрона

Общая потеря ширины по обеим сторонам: ~46 микрон

Из проводника толщиной 50,8 микрона травитель удаляет 46 микрон. Остаётся лишь 4,8-микронная стружка — если она вообще сохранится. При коэффициенте травления 3,5 ширина проводника составит около 10 микрон. В любом случае это острый край лезвия, а не проводник. Он не способен пропускать ток, не соответствует целевым значениям сопротивления и едва выдерживает механическое воздействие перед разрушением.

А зазор в 2 мил? То же самое боковое подрезание по 23 микрона на каждом краю проводника сокращает зазор с 50 микрон до примерно 4 микрон. Риск образования медных перемычек, микрозамыканий и роста дендритов со временем резко возрастает.

Это не проблема выхода годных изделий. Это физическая проблема, замаскированная под проблему возвратов.

Почему фраза «Поставщик сам разберётся» не работает

Вот именно этот компонент становится объектом обвинений в игре «кто виноват». Компенсация платы — процесс CAM по увеличению размеров рисунка для компенсации подрезки — является стандартной практикой на любом серьёзном производстве. Квалифицированный производитель обязательно скорректирует рисунок с размером элемента 5 мил до 5,5 или 6 мил, чтобы итоговый проводник имел ширину ровно 5 мил. Такой подход работает идеально, когда величина компенсации составляет лишь небольшую долю от размера элемента.

Он полностью теряет эффективность, когда размер элемента уже находится на пределе технически возможного.

Чтобы получить готовый проводник толщиной 2 мил после общей подрезки ~46 мкм, исходный рисунок должен иметь ширину примерно 97 мкм — почти 4 мил. В настоящее время математика зазоров становится некорректной: два проводника шириной 4 мил в проекте, расположенные на расстоянии 2 мил друг от друга, на реальной плате оказываются разделёнными всего ~51 мкм. Фоторезист не способен выдержать такую нагрузку. Травитель подтачивает его и приподнимает, в результате по всему слою возникает непредсказуемое, неровное травление. Тонкопроводниковое травление на толстом медном слое деградирует не плавно — оно резко и хаотично теряет работоспособность.

Вот почему в таблицах минимальных размеров проводников для данного сектора рассматриваются именно такие значения. Для меди толщиной 1 унция на квадратный фут минимальный допустимый размер проводника составляет 3 мил — это предельное значение. Для меди толщиной 2 унции функциональный минимум резко возрастает до 5 мил. При 3 унциях — 9 мил. При 4 унциях — 12 мил. Это не традиционные предположения — это те конкретные размеры, при которых процесс травления перестаёт быть непредсказуемым. Спроектируйте проводник шириной 2 мил на слое с медью толщиной 2 унции — и вы потребуете технологический процесс, который существует лишь в исследовательских лабораториях.

Что действительно происходит при возврате

Снижение выхода годных изделий выражено чётко. По моему опыту, накопленному в ходе примерно 30 проектов печатных плат с тяжёлой медью за последние 3 года, наблюдается следующая закономерность:

Размер проводника менее ~3-кратной толщины меди: выход годных изделий находится в диапазоне 35–55 %; основными причинами брака являются обрывы и почти-обрывы

Размер проводника около 4-кратной толщины меди: выход годных изделий — в диапазоне 70–85 %; периодически наблюдаются дрейфы параметров изоляции

Ширина проводника при 5-кратной толщине меди и выше: выход годных изделий восстанавливается до 95 % и более.

Самые пугающие отказы — это не короткие замыкания. Это прерывистые обрывы: проводники, которые проходят проверку на электрическое соединение на заводе, поскольку их толщина составляет всего 5 микрон, а затем растрескиваются под воздействием термоциклирования или резонанса и выходят из строя в полевых условиях спустя шесть месяцев. Я отслеживал полевые отказы до печатных плат, которые на производстве прошли электрическую проверку с отличным результатом. На изображениях автоматической оптической инспекции (AOI) проводник выглядел безупречно. Не каждый проводник толщиной 2 мил просвечивали рентгеном, а те, что были выгравированы до толщины волоса, оставались незаметными вплоть до момента разрушения.

Существует также вопрос сопротивления. Даже если узкий проводник успешно проходит изготовление, его поперечное сечение уже не является прямоугольным — оно трапецеидальное: широкое внизу и узкое вверху. Расчёт нормированного сопротивления основан на прямоугольной геометрии. А трапецеидальная  трассировка изменяет реальную характеристику импеданса цели в соответствии с инструкциями, основанными на нарастании и подрезе. Для дифференциальных пар погрешность проявляется следующим образом: дорожки становятся уже, а расстояние между ними увеличивается, поэтому дифференциальный импеданс отклоняется сильнее, чем однопроводный. Плата, требующая 100 Ом, измеряется как 96 Ом. Плата с требуемым импедансом 90 Ом измеряется как 87 Ом. Минимальные топологии полностью выходят за пределы спецификации.

Откуда берётся эта спецификация — и почему она ошибочна.

Я хочу быть справедливым к проектировщикам, которые запрашивают комбинацию 2 мил / 2 унции. Никто не определяет эту комбинацию как сложную. Обычно логика выглядит так: «Мне нужен ток 3 А на этой силовой шине; калькулятор показывает, что для этого дорожка 1 унция должна иметь ширину X, поэтому я выберу 2 унции и сохраню узкую дорожку». Или: «Места мало, и использование меди 2 унции позволяет уменьшить ширину силовых дорожек».

Ошибка заключается в том, что массу меди рассматривают как регулировочный параметр, влияющий исключительно на пропускную способность по току. Это не так — это параметр, который влияет на всю толщину слоя. минимальный размер проводника и расстояние между ними  вместе с этим. Более толстая медь повышает способность проводников выдерживать большие токи, но одновременно ухудшает возможность прокладки тонких трасс на том же самом слое. Оба преимущества недостижимы при одном весе меди, поскольку процесс травления не допускает компромиссов.

Что действительно работает.

Я видел, как команды выходили из этой ловушки, и решения следуют единообразному шаблону.

Разделите вес меди по разным слоям.  Разместите медь весом 2 унции и даже 3 унции на отдельном силовом слое с широкими трассами и крупными полигонами. Разместите логику управления с мелким шагом на слое с медью весом 0,5 унции или 1 унция. Использование двух разных весов меди в одном многослойном стеке — совершенно стандартная практика: большинство производителей многослойных печатных плат (PCB) без проблем обрабатывают стеки с комбинированными весами меди. Стоимость платы немного возрастает. Разница в выходе годных изделий обычно окупает это многократно.

Соблюдайте минимальную ширину трассы 2 мил на тонкой меди — без исключений.  Если в конструкции действительно требуются проводники и зазоры шириной 2 мил, например, для трассировки выводов BGA, то такой участок должен располагаться на слое, достаточно тонком для надёжного травления. Медь толщиной 0,5 унции с качественной щелочной линией и LDI-экспонированием способна обеспечить элементы размером 2 мил. Медь толщиной 2 унции не способна этого достичь ни на каком производстве, ни при какой химии и ни при каких CAM-компенсациях. Речь не идёт о технологических возможностях — это вопрос геометрии.

Увеличьте ширину проводников до изменения веса меди. Для шины на 3 А при толщине меди 1 унция требуется проводник шириной примерно 50–60 мил при умеренном повышении температуры. При толщине меди 2 унции та же шина требует примерно вдвое меньшей ширины — но всё равно значительно превышающей 2 мил. Если площадь трассировки действительно недостаточна, решение — не применение меди толщиной 2 унции на тонких проводниках. Правильное решение — выделенная силовая плоскость или слой с существенно большей толщиной меди, на котором отсутствуют тонкие элементы.  

Запросите DFM-анализ до утверждения стекапа, а не после.  Каждое серьёзное производственное предприятие предлагает бесплатную проверку конструкции на технологичность при загрузке файлов Gerber. Те, с кем стоит работать, заранее укажут на сочетание 2 мил / 2 унции до оформления заказа и сообщат, какой будет точность воспроизведения. Если ваш производитель предоставляет расчёт стоимости платы с параметрами 2 мил / 2 унции без каких-либо замечаний — это тревожный сигнал: либо он изготовит плату с низкой точностью воспроизведения и переложит издержки на вас, либо изготовит её так, что вы обнаружите проблему только на этапе испытаний.

Итог

Толстый медный слой и тонкие проводники — не вариант проектирования, а логическое противоречие. Травитель, обеспечивающий полезность меди толщиной 2 унции, одновременно разрушает проводники шириной 2 мил, и никакие технологические ухищрения не меняют это соотношение. Математика коэффициента травления общедоступна, стабильна и не зависит от сроков поставки.

Группы, которые своевременно выпускают печатные платы с высоким током, самостоятельно пришли к этому выводу: размещайте медь там, где проходит ток, а разрешение — там, где проходят сигналы, и никогда не заставляйте один медный слой выполнять обе функции. Каждая плата 2 мил / 2 унции, которую я когда-либо видел в реальности, на самом деле была либо прототипом с низким выходом годных изделий, либо расследованием отказов в эксплуатации, которое ещё только предстояло произойти, либо чрезвычайно дорогостоящим уроком по химии травления. Ни одна из них не поставлялась дважды.