เหตุใดทองแดงหนา 2 ออนซ์จึงทำลายเส้นนำไฟฟ้าที่มีความหนา 2 มิล

เหตุใดทองแดงหนา 2 ออนซ์จึงทำลายเส้นนำไฟฟ้าที่มีความหนา 2 มิล

คณิตศาสตร์การกัดด้านข้างที่ไม่มีใครตั้งใจจะคำนวณ

สองปีก่อน หัวหน้าวิศวกรของลูกค้าโทรหาฉันเกี่ยวกับภัยพิบัติในการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ พวกเขาได้ออกแบบแผ่นวงจรจ่ายไฟที่มีความกว้างเส้นสายนำสัญญาณ 2 มิล และระยะห่างระหว่างเส้น 2 มิล สำหรับบริเวณควบคุม และระบุให้ใช้ทองแดงหนา 2 ออนซ์ทั่วทั้งโครงสร้างชั้น เพื่อให้เส้นทางจ่ายพลังงานสามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้ตามต้องการ แต่แผ่นวงจรเปล่าที่ได้รับกลับมา มีอัตราความสำเร็จเพียงประมาณ 40% เท่านั้น การตรวจสอบการเชื่อมต่อพบว่ามีวงจรล้มเหลวหลายสิบจุดต่อแผ่น เมื่อสังเกตภายใต้กล้องจุลทรรศน์ เส้นสายนำสัญญาณในบริเวณควบคุมไม่ได้ดูบางลง แต่กลับดูเหมือนถูกพ่นทราย บางเส้นหายไปทั้งหมด

ส่วนที่น่าอึดอัดคือ แผ่นวงจรนี้ถูกกำหนดให้ล้มเหลวตั้งแต่เริ่มต้นเมื่อกำหนดกฎการออกแบบขึ้น ผู้ผลิตไม่ได้ทำผิดพลาด แต่กฎของปฏิกิริยาเคมีในสารละลายได้ครอบงำการออกแบบไปแล้ว

ตัวเลขที่คุณต้องรู้ก่อนเริ่มต้น

มาแปลงข้อมูลจำเพาะนี้ให้อยู่ในหน่วยที่ทำให้ปัญหาชัดเจน

เส้นนำไฟฟ้าขนาด 2 มิล มีความกว้าง 50.8 ไมครอน ทองแดงหนา 2 ออนซ์ มีความหนา 70 ไมครอน อ่านอีกครั้งให้ดี: ฟอยล์ทองแดงนั้นหนากว่าเส้นนำไฟฟ้าถึงร้อยละ 38 คุณกำลังสั่งให้สารกัดกร่อนสร้างโครงสร้างที่สูงกว่าความกว้างของมัน—กล่าวคือ ผนังสูง 70 ไมครอน ตั้งอยู่บนฐานกว้างเพียง 50 ไมครอน จากนั้นคุณยังสั่งให้มันทำเช่นเดียวกันกับพื้นที่ข้างเคียงที่ห่างออกไปเพียง 2 มิล

การกัดด้วยสารเคมีแบบเปียกเป็นแบบ isotropic สารเคมีไม่สามารถแยกแยะได้ว่าทิศทางใดคือ "ลงล่าง" มันกัดทองแดงไปทางข้างๆ ด้วยอัตราที่ใกล้เคียงกับการกัดลงไปในแนวดิ่งมาก ภาคอุตสาหกรรมประเมินปรากฏการณ์นี้ด้วยค่า etch factor—ซึ่งคืออัตราส่วนระหว่างความลึกของการกัดในแนวตั้งต่อระยะที่ถูกกัดเข้ามาทางด้านข้าง (undercut) ต่อด้านหนึ่ง ในกระบวนการผลิตจริง ค่า etch factor มักอยู่ระหว่าง 2.5 ถึง 4.0 ขึ้นอยู่กับสูตรสารเคมี ระบบอุปกรณ์ และการควบคุมกระบวนการ โดยสาร cupric chloride แบบกรดที่ใช้กับชั้นภายในมักให้ค่า etch factor ระหว่าง 3.0 ถึง 3.5 ส่วนระบบด่างที่ใช้กับชั้นภายนอกมักให้ค่าต่ำกว่า ประมาณ 2.5 ถึง 3.0

คำนวณตามค่า etch factor เท่ากับ 3.0 สำหรับทองแดงหนา 2 ออนซ์:

ความลึกของการกัดในแนวตั้งที่ต้องการ: 70 ไมครอน

การกัดด้านข้างต่อด้าน: 70 ÷ 3.0 ≈ 23 ไมครอน

ความกว้างที่สูญเสียรวมทั้งสองด้าน: ประมาณ 46 ไมครอน

จากลายวงจรที่มีความกว้าง 50.8 ไมครอน สารกัดกร่อนจะกัดออกไป 46 ไมครอน สิ่งที่เหลืออยู่จึงเป็นเส้นบางเพียง 4.8 ไมครอน — ถ้าจะยังคงอยู่ได้เลยแม้แต่น้อยก็ตาม ที่อัตราส่วนการกัด (etch factor) เท่ากับ 3.5 ลายวงจรที่ได้จะมีความกว้างประมาณ 10 ไมครอน ไม่ว่ากรณีใด ลายวงจรนี้ก็เป็นเพียงขอบคมเฉียบ ไม่ใช่ตัวนำกระแสไฟฟ้า มันไม่สามารถส่งกระแสได้ ไม่ผ่านเกณฑ์ความต้านทานที่กำหนดไว้ และยังทนต่อการจัดการด้วยมือได้ยากมากจนอาจหักเสียก่อน

แล้วระยะห่าง 2 มิลลิอินช์ล่ะ? การกัดด้านข้าง 23 ไมครอนเท่ากันทั้งสองขอบของลายวงจรจะทำให้ระยะห่างลดลงจาก 50 ไมครอน เหลือเพียงประมาณ 4 ไมครอน ความเสี่ยงของการเชื่อมต่อทองแดงระหว่างกันโดยไม่ตั้งใจ (copper bridging) การเกิดวงจรลัดวงจรระดับจุลภาค (micro-shorts) และการเติบโตของโครงผลึกแบบกิ่งก้าน (dendrite growth) จึงเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก

นี่ไม่ใช่ปัญหาด้านอัตราการผลิตสำเร็จ (yield) แต่เป็นปัญหาเชิงฟิสิกส์ที่สวมฉลากว่าเป็นปัญหาด้านการคืนสินค้าแทน

เหตุใดคำกล่าวว่า "ผู้จัดจำหน่ายจะจัดการเองได้" จึงใช้ไม่ได้ผล

นี่คือส่วนประกอบที่มักถูกกล่าวโทษในเกมแห่งการโยนความผิด กระบวนการชำระเงินสำหรับการแก้ไขแบบ (CAM) ซึ่งขยายขนาดลายเส้นให้กว้างขึ้นเพื่อชดเชยการกัดกร่อนนั้น เป็นวิธีปฏิบัติมาตรฐานในโรงงานผลิตวงจรพิมพ์ทุกแห่งที่มีความน่าเชื่อถือ ผู้ผลิตที่ดีจะปรับขนาดลายเส้นจาก 5 มิล เป็น 5.5 หรือ 6 มิล เพื่อให้ลายเส้นสุดท้ายมีขนาดเท่ากับ 5 มิล วิธีนี้ใช้ได้ผลดีมากเมื่อค่าชดเชยนั้นมีขนาดเล็กเมื่อเปรียบเทียบกับขนาดขององค์ประกอบ

แต่วิธีนี้ล้มเหลวโดยสิ้นเชิงเมื่อองค์ประกอบนั้นอยู่ใกล้ขีดจำกัดสูงสุดของสิ่งที่ทำได้แล้ว

เพื่อให้ได้ลายเส้นสำเร็จรูปที่มีความกว้าง 2 มิล หลังจากเกิดการกัดลึกเกินขอบ (undercut) ทั้งหมดประมาณ 46 ไมครอน งานออกแบบจะต้องเริ่มต้นที่ความกว้างประมาณ 97 ไมครอน หรือเกือบ 4 มิล ปัจจุบันสูตรการเว้นระยะห่างนั้นใช้งานไม่ได้: ลายเส้นในงานออกแบบสองเส้น แต่ละเส้นกว้าง 4 มิล และเว้นระยะห่างกัน 2 มิล จะทำให้ระยะห่างระหว่างขอบของลายเส้นจริงบนแผ่นวงจรเหลือเพียงประมาณ 51 ไมครอนเท่านั้น ชั้นสารกันกัด (resist) ไม่สามารถทนต่อสภาวะเช่นนี้ได้ สารกัดโลหะจะแทรกซึมใต้ชั้นสารกันกัดและยกมันขึ้น ส่งผลให้เกิดการกัดที่ไม่สม่ำเสมอและหยาบกระด้างทั่วทั้งชั้น การกัดลายเส้นละเอียดบนทองแดงที่หนาไม่เสื่อมสภาพอย่างค่อยเป็นค่อยไป แต่กลับล้มเหลวอย่างสับสนและไม่สามารถควบคุมได้

นี่คือเหตุผลที่ตารางขนาดเส้นนำสัญญาณขั้นต่ำของอุตสาหกรรมตรวจสอบวิธีการที่ใช้ สำหรับทองแดงหนา 1 ออนซ์ เส้นนำสัญญาณกว้าง 3 มิลเป็นขอบเขตที่ไม่แน่นอนที่สุด สำหรับทองแดงหนา 2 ออนซ์ ขนาดขั้นต่ำที่ใช้งานได้จริงจะเพิ่มขึ้นเป็น 5 มิล สำหรับทองแดงหนา 3 ออนซ์ จะอยู่ที่ 9 มิล และสำหรับทองแดงหนา 4 ออนซ์ จะอยู่ที่ 12 มิล ค่าเหล่านี้ไม่ใช่สมมุติฐานแบบดั้งเดิม แต่คือขนาดที่กระบวนการกัดลายหยุดเป็นเรื่องของการคาดเดา หากออกแบบเส้นนำสัญญาณกว้าง 2 มิลบนชั้นทองแดงหนา 2 ออนซ์ หมายความว่าคุณกำลังร้องขอกระบวนการที่ไม่มีอยู่จริงนอกห้องปฏิบัติการวิจัย

สิ่งที่เกิดขึ้นจริงเมื่อคืนคืนกลับ

การลดลงของอัตราผลิตไม่ได้เกิดขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป จากรายงานประสบการณ์ของผมจากการดำเนินโครงการแผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนาประมาณ 30 โครงการในช่วง 3 ปีที่ผ่านมา รูปแบบที่พบสอดคล้องกันดังนี้

ขนาดเส้นนำสัญญาณต่ำกว่าประมาณ 3 เท่าของความหนาแน่นทองแดง: อัตราผลิตอยู่ในช่วง 35–55% โดยความล้มเหลวส่วนใหญ่เกิดจากสายขาดและใกล้ขาด

ขนาดเส้นนำสัญญาณประมาณ 4 เท่าของความหนาแน่นทองแดง: อัตราผลิตอยู่ในช่วง 70–85% โดยมีปัญหาความแปรปรวนของค่าความต้านทานเป็นระยะๆ

ความกว้างเส้นนำสัญญาณที่เท่ากับหรือมากกว่า 5 เท่าของความหนาแน่นทองแดง: อัตราผลิตฟื้นตัวสู่ระดับ 95% ขึ้นไป

ความล้มเหลวที่น่ากลัวที่สุดไม่ใช่การลัดวงจรแบบถาวร แต่เป็นการขาดตอนแบบไม่สม่ำเสมอ—เส้นทางไฟฟ้าที่ผ่านการทดสอบการเชื่อมต่อในโรงงานได้ดี เนื่องจากมีเส้นใยขนาดเพียง 5 ไมครอน แต่ภายหลังเกิดรอยร้าวจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ หรือการสั่นสะเทือน และล้มเหลวในสนามหลังจากนั้นประมาณหกเดือน ฉันเคยสืบย้อนความล้มเหลวในสนามกลับไปยังแผงวงจรที่ผ่านการตรวจสอบทางไฟฟ้าในโรงงานอย่างยอดเยี่ยม เส้นทางไฟฟ้าดูปกติในภาพจากการตรวจสอบด้วยระบบ AOI ไม่มีใครตรวจด้วยเครื่องเอกซเรย์ทุกเส้นทางที่มีความกว้างเพียง 2 มิลลิเมตร และเส้นทางที่ถูกกัดกร่อนจนบางลงเท่าเส้นผมนั้นไม่สามารถสังเกตเห็นได้เลยจนกระทั่งเกิดการขาด

นอกจากนี้ยังมีปัญหาความต้านทานอีกด้วย แม้เส้นทางไฟฟ้าที่บางมากจะยังคงสามารถนำไฟฟ้าได้ แต่พื้นที่หน้าตัดของมันก็ไม่ใช่รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าอีกต่อไป—กลับกลายเป็นรูปสี่เหลี่ยมคางหมู ที่กว้างบริเวณด้านล่างและแคบบริเวณด้านบน ค่าความต้านทานที่คำนวณไว้ตามมาตรฐานนั้นอิงตามรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า รูปสี่เหลี่ยมคางหมู  การติดตามจะย้ายความไวต่อการรบกวนที่แท้จริงออกจากเป้าหมายโดยใช้คำสั่งที่ขึ้นอยู่กับการซ้อนทับและการเว้าเข้าของชั้นนำ สำหรับเซตแบบเชิงต่าง ความคลาดเคลื่อนเกิดจากสิ่งต่อไปนี้: เส้นลายวงจรจะแคบลง และระยะห่างระหว่างเส้นจะกว้างขึ้น ทำให้ความไวต่อการรบกวนแบบเชิงต่างเปลี่ยนแปลงมากกว่าแบบไม่เชิงต่าง แผงวงจรที่ ‘จำเป็นต้อง’ มีค่าความต้านทาน 100 โอห์ม วัดได้ที่ 96 โอห์ม แผงวงจรที่ 90 โอห์ม วัดได้ที่ 87 โอห์ม การจัดวางแบบขั้นต่ำบางแบบหลุดออกนอกข้อกำหนดทั้งหมด

แหล่งที่มาของข้อกำหนดนี้ — และเหตุใดจึงผิด

ผมต้องการให้ความยุติธรรมกับนักออกแบบที่ร้องขอแผ่นทองแดงหนา 2 มิลลิเมตรต่อออนซ์ ไม่มีใครระบุว่าการรวมกันนี้ยากเกินไป เหตุผลโดยทั่วไปมักเป็นแบบนี้: “ฉันต้องการกระแสไฟฟ้า 3 แอมแปร์บนสายจ่ายพลังงานนี้ โปรแกรมคำนวณระบุว่าเส้นลายวงจรหนา 1 ออนซ์ต้องกว้าง X เพื่อรองรับ ฉันจึงเลือกใช้หนา 2 ออนซ์และทำให้เส้นลายวงจรแคบลง” หรือ “พื้นที่จำกัดมาก และการใช้ทองแดงหนา 2 ออนซ์ช่วยลดความกว้างของเส้นลายวงจรจ่ายพลังงานได้”

ข้อผิดพลาดคือการมองน้ำหนักทองแดงเป็นเพียงปุ่มควบคุมที่ส่งผลต่อความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าเท่านั้น แต่จริงๆ แล้วมันไม่ใช่ — มันคือปุ่มควบคุมที่ส่งผลต่อทั้งชั้น ขนาดเส้นทางและระยะห่างที่เล็กที่สุด  พร้อมกับสิ่งนั้น ทองแดงที่หนากว่าช่วยให้รับกระแสไฟฟ้าได้ดีขึ้นในเส้นทางที่กว้าง แต่ในขณะเดียวกันก็ทำลายความสามารถในการวางเส้นทางที่ซับซ้อนบนชั้นเดียวกันนั้น คุณไม่สามารถมีทั้งสองอย่างพร้อมกันบนแผ่นทองแดงน้ำหนักเดียวได้ เพราะกระบวนการกัดกร่อนไม่สามารถปรับตัวได้

สิ่งที่ใช้งานได้จริง

ฉันเคยเห็นทีมงานหลุดพ้นจากปัญหานี้ และวิธีแก้ไขนั้นสอดคล้องกับรูปแบบที่สม่ำเสมอ

แบ่งน้ำหนักทองแดงออกเป็นหลายชั้น  จัดวางทองแดงหนา 2 ออนซ์ หรือแม้แต่ 3 ออนซ์ ไว้บนชั้นจ่ายพลังงานโดยเฉพาะ โดยใช้เส้นทางที่กว้างและรูปหลายเหลี่ยมที่มีพื้นที่เพียงพอ ส่วนลอจิกควบคุมที่มีระยะห่างระหว่างขาเล็กมากให้วางไว้บนชั้นทองแดงหนา 0.5 ออนซ์ หรือ 1 ออนซ์ การใช้ทองแดงสองน้ำหนักในโครงสร้างชั้นเดียวถือเป็นเรื่องปกติอย่างยิ่ง — โรงงานผลิตแผงวงจรพิมพ์หลายชั้นส่วนใหญ่สามารถจัดการโครงสร้างชั้นที่มีน้ำหนักทองแดงผสมกันได้โดยไม่มีปัญหาใดๆ ต้นทุนของแผงจะสูงขึ้นเล็กน้อย แต่ความแตกต่างของอัตราการผลิตสำเร็จมักคุ้มค่ากว่าหลายเท่า

รักษาความกว้างของเส้นทางที่ส่งสัญญาณไว้ที่ 2 มิล บนทองแดงบางอย่างเท่านั้น  หากการออกแบบต้องการเส้นลายวงจรขนาด 2 มิล และพื้นที่ว่างสำหรับการเชื่อมต่อ BGA โดยเฉพาะอย่างยิ่ง บริเวณดังกล่าวควรจัดวางบนชั้นที่บางพอที่จะกัดลายได้อย่างแม่นยำ แผ่นทองแดงหนา 0.5 ออนซ์ ร่วมกับระบบกัดแบบด่างคุณภาพสูงและระบบถ่ายภาพ LDI สามารถสร้างลักษณะขนาด 2 มิล ได้อย่างมั่นคง แต่แผ่นทองแดงหนา 2 ออนซ์ไม่สามารถทำเช่นนั้นได้เลย ไม่ว่าจะในโรงงานผลิตใด ด้วยสารเคมีชนิดใด หรือแม้แต่การปรับค่า CAM แบบใดก็ตาม ปัญหานี้ไม่ใช่เรื่องขีดความสามารถ แต่เป็นเรื่องของรูปทรงเรขาคณิต

ขยายความกว้างก่อนเปลี่ยนน้ำหนักทองแดง รางจ่ายไฟกระแส 3 แอมแปร์ที่ใช้ทองแดงหนา 1 ออนซ์ ต้องการเส้นลายวงจรกว้างประมาณ 50–60 มิล เพื่อรองรับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิระดับปานกลาง แต่เมื่อใช้ทองแดงหนา 2 ออนซ์ รางจ่ายไฟเดียวกันนี้ต้องการเส้นลายวงจรเพียงครึ่งหนึ่งของความกว้างข้างต้น — ซึ่งยังคงมากกว่า 2 มิล อย่างเห็นได้ชัด หากพื้นที่วางเส้นลายวงจรไม่เพียงพอจริง ๆ คำตอบไม่ใช่การใช้ทองแดงหนา 2 ออนซ์ร่วมกับเส้นลายวงจรละเอียด แต่ควรใช้ชั้นจ่ายไฟเฉพาะทาง (power plane) หรือชั้นทองแดงที่หนากว่ามาก โดยไม่มีส่วนประกอบละเอียดใด ๆ อยู่บนชั้นนั้น  

ขอรับการตรวจสอบ DFM ก่อนตัดสินใจเลือกโครงสร้างชั้น (stack-up) ไม่ใช่หลังจากตัดสินใจแล้ว  โรงงานผลิตแผงวงจรพิมพ์ที่น่าเชื่อถือทุกแห่งจะให้บริการตรวจสอบการออกแบบเพื่อความเหมาะสมในการผลิตแบบไม่คิดค่าใช้จ่ายเมื่อคุณอัปโหลดไฟล์ Gerber ผู้ให้บริการที่คุ้มค่าแก่การร่วมงานจะแจ้งเตือนล่วงหน้าเกี่ยวกับการผสมสเปค 2 มิล / 2 ออนซ์ ก่อนที่คุณจะสั่งซื้อ และระบุระยะเวลาการส่งมอบที่แน่นอนให้คุณทราบ หากผู้ผลิตของคุณเสนอราคาสำหรับแผงวงจรที่มีสเปค 2 มิล / 2 ออนซ์ โดยไม่ให้ข้อสังเกตใดๆ เลย นั่นคือสัญญาณเตือน— ไม่ว่าพวกเขาจะผลิตแผงดังกล่าวด้วยเวลาการส่งมอบที่แย่มากแล้วโยนต้นทุนส่วนเพิ่มมาให้คุณ หรือจะผลิตตามสเปคแล้วปล่อยให้คุณพบปัญหาด้วยตัวเองในขั้นตอนการทดสอบ

ข้อสรุป

ทองแดงหนาและลายเส้นบางมากไม่ใช่ทางเลือกในการออกแบบ— แต่เป็นสิ่งที่ขัดแย้งกันโดยตัวมันเอง สารเคมีที่ใช้กัดทองแดงหนา 2 ออนซ์ ซึ่งทำให้ทองแดงหนานี้มีประโยชน์ คือสารเดียวกันที่จะกัดลายเส้นบาง 2 มิล จนหายไป และไม่ว่ากระบวนการผลิตจะซับซ้อนหรือชาญฉลาดเพียงใด ก็ไม่อาจเปลี่ยนอัตราส่วนพื้นฐานนี้ได้ ค่าอัตราการกัด (etch factor) นั้นเปิดเผยต่อสาธารณะ มีความเสถียร และไม่สนใจกำหนดเวลาส่งมอบแต่อย่างใด

กลุ่มที่ส่งมอบแผงวงจรที่รองรับกระแสไฟฟ้าสูงตามกำหนดเวลา ได้ค้นพบหลักการนี้ด้วยตนเอง: วางทองแดงไว้ในตำแหน่งที่กระแสไฟไหลผ่าน วางความละเอียดสูงไว้ในตำแหน่งที่สัญญาณเดินทาง และห้ามให้ชั้นทองแดงหนึ่งชั้นทำหน้าที่ทั้งสองอย่างพร้อมกัน แผงวงจรแบบ 2 มิล/2 ออนซ์ ที่ฉันเคยเห็นมาจริงๆ ทั้งหมด ล้วนเป็นเพียงต้นแบบที่ผลิตได้ต่ำมาก การตรวจสอบความล้มเหลวในสนามที่กำลังจะเกิดขึ้น หรือบทเรียนที่แพงมากเกี่ยวกับเคมีการกัดแผงวงจร ไม่มีแผงใดเลยที่ถูกจัดส่งออกมากกว่าหนึ่งครั้ง