Varför förstör 2 oz koppar spåren med tjocklek 2 mil?

Varför förstör 2 oz koppar spåren med tjocklek 2 mil?

Sidåtätningsmatematiken som ingen avser att utföra

För två år sedan ringde en kunds tekniska chef mig angående en katastrof vid tillverkning av kretskort. De hade säkert skapat ett strömförsörjningskort med spårbredd och spåravstånd på 2 mil i styrsektorn och specificerat 2 oz koppar i hela lageruppställningen så att kraftspåren kunde bära strömmen. De obehandlade korten kom tillbaka med en utbyte på cirka 40 procent. Anslutningstestning identifierade dussintals döda nät per panel. Under mikroskopet såg spåren i styrsektorn inte tunna ut – de såg ut som om de blivit sandblästa. Vissa saknades helt.

Här är den klumpiga delen: det kortet var dömt redan från det ögonblick då konstruktionsreglerna skrevs. Tillverkaren gjorde inget fel. Lagarna för fuktig kemi övertog helt designen.

Siffrorna som måste varna dig innan du börjar

Låt oss uttrycka specifikationen i enheter som tydligt visar problemet.

En 2 mil bred spår är 50,8 mikrometer bred. 2 oz koppar är 70 mikrometer tjock. Läs det igen: kopparaluminiumfolien är 38 % tjockare än spårets bredd. Du ber ätzningsmedlet att skulptera en struktur som är högre än den är bred – alltså en 70 mikrometer hög vägg som står på en 50 mikrometer bred bas. Sedan ber du det göra exakt samma sak på området precis bredvid, 2 mil bort.

Våtätning är isotropisk. Kemikalier kan inte skilja på vilken riktning som är "neråt." Den angriper kopparen sidledes nästan lika snabbt som den etar vertikalt. Branchen utvärderar detta med ätningsfaktorn – förhållandet mellan vertikal ätningsdjup och sidoutskärning per sida. I produktion varierar ätningsfaktorer mellan 2,5 och 4,0 beroende på kemikalier, utrustning och processkontroll. Syrlig kopparklorid på inre lager ligger vanligtvis på 3,0–3,5. Alkaliska system på yttre lager ligger lägre, runt 2,5–3,0.

Gör beräkningen med en ätningsfaktor på 3,0 för 2 oz koppar:

Vertikalt ätningsdjup som krävs: 70 mikrometer

Sidoutskärning per sida: 70 ÷ 3.0 ≈ 23 mikrometer

Total breddförlust på båda sidor: ca 46 mikrometer

Från en spårbredd på 50,8 mikrometer tar ätspälsningen bort 46 mikrometer. Kvar blir en 4,8-mikrometer tunn strimma – om den ens överlever processen. Vid en ätsfaktor på 3,5 blir spårets bredd ca 10 mikrometer. I alla fall är det en knivkant, inte en ledare. Den kan inte leda ström, uppfyller inte motståndskraven och håller knappt emot hantering innan den går sönder.

Och avståndet på 2 mil? Samma 23-mikrometer sidoutskärning på varje spårkant minskar avståndet från 50 mikrometer till ca 4 mikrometer. Risken för kopparförbindelse, mikrokortslutning och dendritbildning över tid ökar kraftigt.

Det är inte ett utbytesproblem. Det är ett fysikaliskt problem som klär sig i returprocessens kläder.

Varför "Leverantören kommer att lösa det" inte fungerar

Här är komponenten som ofta lämnas utanför skuldfördelningen. Graveringskompensation – CAM-processen för att utvidga konstverket för att representera undergravering – är standardpraxis i varje seriös fabrik. En bra tillverkare justerar t.ex. en 5 mil bred spårdesign till 5,5 eller 6 mil i konstverksstorlek, så att det färdiga spåret får bredden 5 mil. Det fungerar utmärkt när kompensationen utgör en liten del av måttet.

Det misslyckas helt när måttet redan ligger på gränsen för vad som är möjligt.

För att få en färdig struktur på 2 mil efter ca 46 mikrometer total undergrävning måste konstverket ha en ursprunglig bredd på ca 97 mikrometer – nästan 4 mil. För närvarande kollapsar avståndsmatematiken: två 4 mil breda konstverksstrukturer placerade 2 mil ifrån varandra i designen innebär att de faktiska strukturavstånden på panelen endast är ca 51 mikrometer. Resistens kan inte överleva detta. Ätspåverkan underminerar och lyfter den, och resultatet blir oförutsägbar, ojämn ätning över hela lagret. Finkantätning på tjock koppar försämrar inte gradvis – den misslyckas kaotiskt.

Det är därför som sektorns tabeller för minsta spårbredd granskar de metoder de använder. För 1 oz koppar är en 3 mil bred spårgränsen för vad som går att tillverka. För 2 oz stiger den funktionsmässiga minimibreden till 5 mil. Vid 3 oz är den 9 mil. Vid 4 oz är den 12 mil. Detta är inte traditionella antaganden – det är de bredder där graveringens stabilitet slutar vara en gissning. Designa ett 2 mil brett spår på ett 2 oz lager och du begär en process som inte finns utanför forskningslaboratorier.

Vad händer egentligen vid återföring

Ytutbytet försämras inte gradvis. Under min erfarenhet av cirka 30 tungkoppar-PCB-projekt under de senaste tre åren följer mönstret detta mönster:

Spårbredd under ca 3× koppartätheten: utbyte i intervallet 35–55 %, med fel som främst består av öppna anslutningar och nästan öppna anslutningar

Spårbredd runt 4× koppartätheten: utbyte i intervallet 70–85 %, med periodisk otillförlitlig isolering

Spårbredd på 5× koppartätheten eller mer: utbyte återhämtar sig till 95 % eller mer.

De mest skrämmande fel är inte de döda kortslutningarna. Det är de intermittenta öppningarna – spåren som klarar anslutningstestningen på fabriken eftersom de är en 5-mikrometer tunn filamentsträng från början, men sedan spricker under termisk cykling eller resonans och misslyckas i fältet sex månader senare. Jag har spårat tillbaka fältfel till kretskort som klart elektrisk undersökning på fabriken med utmärkt resultat. Spåret såg straff ut i AOI-bilderna. Ingen röntgade varje 2 mil bred ledning, och de som var graverade ner till hårbredd var omärkbara tills de bröt.

Det finns också resistansberättelsen. Även när en tunn ledning klarar sig genom är dess tvärsnitt inte längre rektangulärt – det är trapetsformat, brett nära botten och smalt vid toppen. Reglerad ohmisk motstånd beräknas utifrån rektangulär geometri. En trapetsformad  spåren flyttar den verkliga impedansen bort från målet i en instruktion som bygger på stack-up och underskärningskonto. För differentiella uppsättningar är felsubstanserna: spåren blir smalare och avståndet mellan dem blir större, så differentiell impedansdrift är större än för enkeländad. Kort som "måste" ha 100 ohm mättes till 96. Kort på 90 ohm mättes till 87. Minimikonfigurationer gick helt utom specifikationen.

Varifrån denna specifikation kommer – och varför den är felaktig.

Jag vill vara rättvis mot de konstruktörer som begär 2 mil/2 oz. Ingen definierar den kombinationen som svår. Resonemanget ser vanligtvis ut så här: "Jag behöver 3 ampere på denna strömskena; beräknaren anger att ett spår med 1 oz kräver bredden X för detta, så jag väljer 2 oz och håller spåret smalt." Eller: "Rummet är trångt, och 2 oz gör att jag kan minska bredden på strömspåren."

Felet ligger i att behandla kopparvikten som en reglerknopp som endast påverkar strömkapaciteten. Det är den inte – den är en reglerknopp som påverkar hela lagrets minsta spårbredd och avstånd mellan spår  tillsammans med det. Tjockare koppar ger dig bättre strömhantering på stora spår, men förstör samtidigt din möjlighet att rita något kompakt på exakt samma lager. Du kan inte ha båda delarna på ett och samma koppartjocklek, eftersom ätprocessen inte förhandlar.

Vad som verkligen fungerar.

Jag har sett team undkomma denna fälla, och lösningarna följer ett konsekvent mönster.

Dela upp koppartjocklekerna över olika lager.  Placera 2 oz och till och med 3 oz koppar på ett dedikerat strömlager med breda spår och generösa polygoner. Placera kontrolllogiken med fin pitch på ett lager med 0,5 oz eller 1 oz koppar. Att använda två olika koppartjocklekar i en stack-up är helt vanligt – de flesta multilager-PCB-tillverkare hanterar blandade tjockleksstack-ups utan dramatik. Kostnaden för kretskortet blir lite högre. Skillnaden i utbyte betalar ofta för sig flera gånger över.

Behåll 2 mil spårbredd på tunn koppar, period.  Om designet verkligen kräver 2 mil breda spår och utrymme – till exempel för BGA-utgångsrouting – bör den delen placeras på ett lager som är tillräckligt tunt för att kunna ätscas tillförlitligt. 0,5 oz koppar med en utmärkt alkalisk linje och LDI-avbildning kan hålla 2 mil breda strukturer. 2 oz koppar kan inte göra det, oavsett fabrik, kemikalier eller CAM-kompensation. Det är inte en fråga om kapacitet; det är en fråga om geometri.

Öka bredden innan du byter koppartjocklek. En 3 ampères strömslinga vid 1 oz kräver ungefär 50–60 mil breda spår för en måttlig temperaturhöjning. Vid 2 oz krävs ungefär hälften av den bredden för samma strömslinga – fortfarande långt mer än 2 mil. Om routningsområdet verkligen inte räcker till, är svaret inte 2 oz koppar på fina spår. Svaret är istället ett specialiserat strömplån eller ett mycket tjockare kopparlager utan fina strukturer på det.  

Begär en DFM-granskning innan du fastslår stack-up:en, inte efteråt.  Varje allvarlig fabrik erbjuder kostnadsfri layoutgranskning för tillverkbarhet vid uppladdning av Gerberfiler. De som är värda att samarbeta med kommer att påpeka en kombination av 2 mil/2 oz innan beställningen lämnas och informera dig om vilken återgång som säkert kommer att uppnås. Om din tillverkare offrar ditt kretskort med 2 mil/2 oz utan ett enda kommentar är det en varningssignal – antingen kommer de att tillverka det med mycket dålig återgång och debitera dig kostnaderna, eller så kommer de att tillverka det och låta dig upptäcka problemet vid test.

Slutresultatet

Tung koppar och smala spår är inte ett designval – de är en motsägelse i sig. Ätspäden som gör 2 oz koppar användbar är samma ätspäda som borttar 2 mil spår, och ingen mängd processmagi kan ändra förhållandet. Ätsfaktormatematiken är offentlig, stabil och oberoende av tidsfrister.

Grupperna som levererar högströmskort i tid har kommit fram till detta genom praktisk erfarenhet: placera kopparn där strömmen finns, placera upplösningen där signalerna finns och kräv aldrig att ett enda kopparlager ska utföra båda funktionerna. Varje 2 mil/2 oz-kort som jag någonsin sett har varit antingen en prototyp med låg utbytegrad, en undersökning av feldiagnos på väg att ske eller en extremt dyr läxa i ätsningskemi. Ingen av dessa har skickats två gånger.