Производство для целостности сигнала

автор Марк Лэдл (Marc Ladle) VIKING TEST LTD. |

Целостность сигнала! В мире, который становится все более высокоскоростным и цифровым, химически-зависимый и по большей части аналогово-контролируемый мир производства печатных плат не всегда становится удобным партнером.

В теории электронная эффективность каждой печатной платы защищена допусками и спецификациями материала, указанными на корпусе разработки, но чем дальше вы продвигаетесь к границам технической производительности продукта, тем сложнее быть уверенным, что вы получите прекрасные результаты.

Начнем с базового материала. Толщина меди может начинаться от 35 микрон по документам поставки, но что такое реальная толщина меди? Многие компании используют простую проверку толщины на базе сопротивления, чтобы убедиться, что они используют правильную толщину, но это не скажет вам, начинаете ли вы с 35 микрон или если реальная толщина скорее 33 микрона. Медь – это относительно дорогое удовольствие, и процесс производства фольги тщательно контролируется. Это значит, что поставщики материала могут использовать разрешенные допуски для своей выгоды, приближая толщину фольги к нижней границе толщины.

Теперь давайте возьмем партию из 50 производственных панелей, проходящих через обработку внутреннего слоя. В самом начале процесса вы планируете иметь чистую поверхность материала, чтобы убедиться, что ваш сухой пленочный фоторезист приклеится к поверхности. Очистка может проводиться абразивной щеткой или химической очисткой, но в обоих случаях вы еще больше уменьшаете толщину меди.

Процесс производства – это не идеальная наука и иногда случается повторная обработка материала. Предположим, на сухой пленке обнаружилась морщинка на поверхности. В этом случае материал нельзя использовать, пока пленка не будет снята, а затем панель должна снова пройти через процесс очистки поверхности и повторное нанесение сухой пленки. В процессе мы потеряем еще немного толщины меди, что означает, что одна из произведенных нами панелей будет слегка отличаться от остальных с точки зрения оставшейся толщины меди.

Процесс травления затем удаляет нежелательную медь, оставляя нужную ширину линии на плате. И снова – жизнь не совершенна – возможны варианты, так как свежий раствор травления обычно дозируется в машину пульсирующим способом, поэтому скорость травления не одинакова от панели к панели. Наша панель, которая итак уже имеет чуть меньшую толщину, чем другие в этой партии, потенциально является худшим случаем, так как она начала с меньшей толщины меди, поэтому будет травиться на несколько процентов быстрее, чем другие, что значит, что финальная ширина дорожки будет также слегка тоньше, чем на других панелях. Некачественная работа может значить, что недотравленная панель будет повторно протравливаться, что удалит нежелательную медь, но также и чуть-чуть от той меди, что должна остаться на дорожке. После удаления сухой пленки и инспектирования панелей, они обычно проходят через снижение окисления, чтобы обработать поверхность меди при подготовке ее для многослойного покрытия. Процесс окисления забирает еще чуть-чуть меди как с толщины, так и с высоты дорожек.

Существует несколько способов по предотвращению нарушений, которые могут помочь нам с вышеперечисленными проблемами. Автоматический оптический контроль может, конечно, проверить избыточно протравленные панели, но в действительности его возможности очень ограничены. Практически любая машина способна только добраться до верхней поверхности ширины дорожки, что оставляет открытым вопрос о форме боковых сторон дорожек. Излишняя обрезка меди из-за избыточного травления может быть не заметна при инспекции, но она может значительно уменьшить площадь проводника в поперечном сечении. Опять же нельзя быть уверенным по поводу актуальной толщины оставшейся меди без проведения разрушительного микросреза – и в любом случае, нет гарантии, что каждая панель точно такая же, как та, что вы проверили.

Обработка внешнего слоя похожа на обработку внутреннего слоя, так как существует множество возможностей для вариативности – особенно из-за вариативности толщины меди в процессе покрытия.

Мы пришли к тому, что завершенная панель имеет значительное число вариаций поперечного сечения своих проводников. Все проверки были пройдены и было определено, что все это лежит в пределах допусков, но все-таки вариации существуют. Для целостности сигнала эти вариации могут быть серьезной головной болью.  Можно измерить эту вариативность с помощью тестирования летающим щупов высокой спецификации, который позволяет тестировать точное сопротивление каждого проводника, но это очень долгий и дорогой способ тестирования панелей. Вы можете снизить вариативность, попросив, чтобы никакая повторная обработка материала не проводилась в любое время, но и у этого подхода есть определенная стоимость.

Если одна из ваших 50 панелей особенно неудачлива, она может сильно пострадать на каждом этапе процесса. Этот худший сценарий может привести к разочаровывающим результатам, когда продукт уже заполнен компонентами и начинается тестирование продукта.

Поэтому все вопросы, поднятые в данной статье, имеют отношение только к самым основным параметрам, которые могут повлиять на целостность сигнала. Все более и более высокие скорости сигналов значат, что планка по отношению к снижению вариативности процесса постоянно повышается. При самых высоких скоростях сигнала гладкая поверхность меди становится значительным фактором для обеспечения эффективности схемы. Так называемый «скин-эффект» снижает скорость сигнала, если поверхность меди становится менее ровной. На некоторых стадиях нормального производственного процесса мы потерпели неудачу с нашим способом делать поверхность меди шероховатой для обеспечения хорошей адгезии. Чем сильнее обработка меди, тем хуже скорость сигнала. Адгезия против скорости сигнала – два целевых условия, которые в значительной мере конфликтуют между собой.

Если вы покупатель или пользователь печатных плат, это может объяснить вам, почему бывают серьезные вариации в эффективности схем, когда вы сравниваете продукты различных производителей. Это совсем не обязательно, что кто-то делает что-то неправильно в рамках позволенных параметров.

Но в трудностях часто есть и возможности, и я уверен, что ситуация с передачей высокоскоростных сигналов на печатных платах – это именно такой случай. Поставщики материалов активно работают над тем, чтобы с их стороны медь имела требуемое покрытие. Хорошие производители делают все возможное, чтобы достичь этого же. Этот рынок требует полной согласованности всех сторон, чтобы быть уверенным, что конечный продукт функционирует так, как требуется. Если вы сможете это выполнить, будьте уверены, что на некоторая время ваша фабрика будет загружена работой.

Источник: Журнал PCB Magazine Октябрь 2017

Назад