Выпуск #3/2017
В.Можаров, О.Хомутская
Влияние нефункциональных контактных площадок на различные характеристики печатных плат
Влияние нефункциональных контактных площадок на различные характеристики печатных плат
Просмотры: 835
Нефункциональные – не имеющие электрических связей – контактные площадки печатной платы (ПП) оказывают влияние на надежность и технологичность ПП, которое в зависимости от конкретного случая может быть как положительным, так и отрицательным. В статье рассмотрены факторы этого влияния и даны рекомендации по работе с такими площадками на этапе технологической подготовки производства.
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.163.3.166.176
УДК 621.3.049.75
ВАК 05.27.06
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.163.3.166.176
УДК 621.3.049.75
ВАК 05.27.06
Теги: non-functional contact pads printed circuit board reliability of printed circuit boards надежность печатных плат нефункциональные контактные площадки печатная плата
Укрупненный[1]жизненный цикл электронного устройства состоит из следующих этапов: маркетинг, проектирование / конструирование, ТПП, производство, распространение / хранение, эксплуатация и утилизация. На этапе ТПП инженер-технолог занимается тем, что преобразует абстрактный проект ПП в исполняемые файлы для станков, с какими-либо реальными объектами он еще не работает. Этот этап нужен потому, что у каждой производственной линии свои возможности и требования для успешного изготовления ПП (начиная от размера заготовки, заканчивая компенсациями геометрического искажения слоев на разных этапах изготовления ПП). Только в этот момент технолог может внести какие-либо изменения в конструкцию ПП. На производстве пользуются файлами, которые были сделаны на этапе ТПП; в контексте НКП это файлы для печати фотошаблонов. Процессы, описанные в статье, касаются компьютерного проектирования, конструирования и технологической подготовки производства. Вся реализация происходит потом, после удаления или оставления НКП.
Конструктор специально не вводит НКП. Они вводятся по умолчанию конструкторскими программами, и добиться их удаления можно, только специально настраивая это программное обеспечение (ПО). Практика показывает, что на сегодня данным навыком обладают около 5% конструкторов. В большинстве же случаев профессиональный уровень конструкторов таков, что не позволяет им адекватно оценивать необходимость НКП и каким-либо образом ими управлять. Поэтому они почти в 95% случаев присутствуют на плате. В данной статье мы попытаемся объяснить, в каких случаях НКП нужны, а в каких от них лучше избавиться. Вопрос о том, как ими управлять на этапе конструирования, намеренно не поднимается в статье, так как слишком обширен и очень специфичен для каждого конкретного пакета программ по конструированию ПП. Эта статья предназначена в первую очередь для конструкторов ПП и имеет цель – познакомить их с различными аспектами влияния НКП на технические и эксплуатационные характеристики МПП.
Вопрос введения или невведения НКП во внутренние слои печатных плат остается актуальным на протяжении многих лет. Мнения о том, что НКП повышают надежность ПП и поэтому их в обязательном порядке нужно использовать, придерживаются военные, основываясь на исследованиях 60–80-х годов [1]. С ними солидарны потребители верхнего уровня (госкорпорации), считающие, что качество первостепенно вне зависимости от стоимости. Второе мнение – о необходимости удаления НКП – разделяется большинством производителей ПП и представителей коммерческой среды. Они считают, что отсутствие НКП снижает затраты и, как бы парадоксально это ни выглядело, повышает надежность ПП, так как позволяет избежать возможных внутренних коротких замыканий между контактными площадками (КП) и дорожками, а также улучшает качество металлизации сквозных отверстий.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Для последующего анализа проблемы обработки НКП необходимо оценить актуальные подходы производителей и проектировщиков ПП по работе с ними. В ходе исследования 55-ти отечественным предприятиям, производителям ПП, были разосланы опросники об их опыте использования НКП. Ответы получены от 42-х предприятий, и на их основе сделаны следующие выводы:
• отечественные компании, не вводящие НКП, делают это в первую очередь для продления срока службы сверла и формирования точных переходных отверстий в ПП. По их мнению, именно это является основной проблемой надежности. Некоторые предприятия, кроме того, утверждают, что отсутствие НКП повышает качество ПП после травления, а также способствует уменьшению вероятности замыкания на плоскости НКП;
• отечественные компании, вводящие НКП, основываются на убеждении, что НКП действуют в качестве мультифланцевой заклепки для устранения эффекта деламинации. Деламинация, или расслоение, – результат неоднородного расширения ПП по оси Z из-за различий в коэффициенте теплового расширения (КТР) разных материалов – меди и стеклотекстолита. Некоторые же компании признаются, что просто боятся по ошибке удалить используемую функциональную контактную площадку. Часть участников опроса также отметили, что в гибко-жестких ПП вводят НКП для обеспечения дополнительного усиления материала.
Зарубежные изготовители предпочитают не вводить НКП, так как это упрощает процесс сверления [1, 2]. Медь – это тягучий металл, сверление которого всегда является проблемой. С другой стороны, полное отсутствие НКП на большом количестве слоев ПП может привести к большим расстояниям между связанными точками (для соединения площадок) сквозного металлизированного отверстия (СМО), что может повлечь за собой частичное снижение надежности [1]. В качестве одного из компромиссных вариантов рассматривается выборочное удаление НКП. Оно обеспечивает легкость изготовления, сохраняя при этом несколько связующих точек на протяжении всей длины СМО. Другим вариантом является оставление НКП только на слоях питания, даже если они электрически ни с чем не связаны. Эти слои не используются для прокладки сигнальных проводников, так что наличие в них НКП никак не повлияет на сложность трассировки [1].
Все отечественные и зарубежные производители также отметили, что:
• использование стеклотекстолита или полиимида не влияет на решение об использовании НКП [2];
• основной причиной невведения НКП было увеличение технологичности МПП.
СТАНДАРТЫ НА НКП
Единственной организацией, стандартизирующей применение НКП, является Европейская кооперация по стандартизации в области космической техники (European Cooperation for Space Standardization, ECSS).
Согласно их стандарту [3], можно не вводить НКП в двух случаях:
• если наличие НКП ухудшает электрические характеристики;
• если отсутствие НКП предотвращает появление областей с высоким давлением в процессе прессования, в которых может уменьшаться относительное содержание смолы в препреге.
При принятии решения об удалении НКП необходимо соблюдать следующие условия [3]:
• НКП должны остаться на всех слоях питания и земли;
• НКП должны остаться на гибких слоях;
• допускается удалять не более половины всех НКП в переходном отверстии;
• допускается удалять НКП максимум на двух следующих друг за другом слоях;
• допускается удалять НКП только на одной стороне заготовки слоя;
• любые изменения должны быть строго описаны в конструкторской документации.
ФАКТОРЫ ВЛИЯНИЯ НКП НА НАДЕЖНОСТЬ ПП
НКП оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на надежность ПП. Современные требования к надежности аппаратуры зачастую конфликтуют с требованиями по миниатюризации и стоимости конечного устройства, поэтому значение этого влияния неодинаково для различных типов ПП – по назначению платы, плотности трассировки, классу точности и т. д. Для того чтобы обоснованно решить, как поступать с НКП в конкретном случае, необходимо подробно рассмотреть и проанализировать связанные с ними факторы, так или иначе воздействующие на надежность печатных плат и / или различные аспекты технологических процессов их изготовления.
1. Создание теплоотвода при пайке
Стек НКП формирует радиатор, который рассеивает тепло, вследствие чего могут образовываться непропаи в монтажном отверстии.
2. Увеличение времени проверки и количества ложных срабатываний при автоматической оптической инспекции
Для детального контроля качества на производстве ПП используются системы автоматической оптической инспекции (АОИ). Ложные срабатывания затягивают процесс АОИ и снижают внимание оператора, что порождает опасность пропуска критической ошибки.
3. Увеличение геометрической стабильности слоев ПП
Изначально материал слоя МПП испытывает внутренние напряжения, связанные с его композитной природой. Когда при травлении часть меди убирается, эти напряжения перераспределяются, деформируя заготовку. Медь, по сути, армирует тонкое диэлектрическое основание, снижая коробление слоя и не давая высвободиться всем внутренним напряжениям материала на этапе травления [4]. Кроме того, более медленная деградация травильного раствора за счет меньшего растворения меди положительно сказывается на качестве травления. Таким образом, наличие значительных площадей меди, создаваемых НКП (рис.3), оказывает позитивное влияние на качество платы в целом и на точность совмещения в частности.
В работе [5] показано, что геометрическая стабильность (c) фольгированного стеклотекстолита FR4 напрямую зависит от толщины медной фольги (t) и толщины диэлектрика (h). Количественное выражение этой зависимости описывается формулой:
Можно сделать заключение, что наличие большого количества пустот в металлизации слоя ведет к серьезной погрешности расположения и размера межслойных соединений, особенно на тонких основаниях [6]. НКП могут занимать 67% от всей поверхности слоя; поэтому, если рассматривать улучшение его геометрической стабильности как приоритетную задачу, очевидно, что НКП необходимо оставлять.
Однако в зонах установки BGA-корпусов (рис.4) подходящие к КП проводники находятся на разных внутренних слоях, и при этом они располагаются достаточно близко друг к другу. Их близкое расположение не позволяет заполнить пустое пространство медным полигоном. Поэтому НКП под BGA-компонентом рекомендуются к удалению, так как при соблюдении минимального отступа от переходного отверстия площадь заполненного медью полигона будет больше, что будет способствовать уменьшению коробления и, в конечном счете, улучшению совмещения слоев.
4. Снижение времени жизни сверла
Существует гипотеза о том, что наличие НКП приводит к ухудшениям характеристик сверления, так как сверление происходит через дополнительный слой меди НКП, что ведет к увеличению температуры и старению материала внутри отверстия.
Для проверки данной гипотезы был проведен эксперимент. Изготовлена 16-слойная плата размером 175 Ч 280 мм (рис.5), в правой части которой было 6 014 НКП (62 ряда по 97), а в левой – 6 014 так называемых antipads – круглых высвобождений в меди без НКП (кружков свободного стеклотекстолита в сплошном медном полигоне).
Далее все площадки были просверлены (для каждого типа площадок использовалось отдельное сверло диаметром 0,65 мм) (рис.6, 7), причем после прохождения каждого ряда в обоих случаях (с / без НКП) сверлилось контрольное отверстие на краю платы с медной фольгой.
На левом кадре рис.7 – там, где отверстие просверлено через НКП, – видна стружка и буртик, что свидетельствует о сильном затуплении сверла. На контрольных отверстиях без НКП размер буртика значительно меньше, а отверстия не содержат в себе стружку или другие продукты сверления. На половине с НКП буртик начал появляться уже на 8–10 рядах, а на половине без НКП – только на 32–34. Вышеназванные факторы свидетельствуют о большем затуплении сверла, которое формировало отверстия с НКП. На основании этого можно утверждать, что НКП негативно влияют на время жизни сверла при производстве МПП.
5. Привнесение помех в высокочастотный сигнал
На рис.8 показана схема емкостных связей, возникающих между НКП и функциональными элементами топологии слоев МПП, что понижает импеданс в процессе прохождения сигнала вдоль отверстия [7]. Источником сигнала является слой 3, и он переходит к слою 1 через отверстие между слоем 1 и слоем 3.
Это типичное сквозное переходное отверстие, когда КП присутствуют на каждом сигнальном слое, даже если этот слой не связан трассировкой через отверстие. Помимо того, что КП присутствуют на слоях 1 и 3, они также есть на слое 5, хотя на этом слое в них нет необходимости. Как показано на рисунке, НКП на слое 5 имеет емкостную связь со слоями питания (на рисунке показан слой земли) выше и ниже в стеке. Эта нежелательная емкость увеличивает емкостную нагрузку, создаваемую отверстием; если отверстие достаточно длинное или если частота сигнала достаточно высока, неиспользованная часть отверстия будет выступать в качестве фильтрующего элемента.
Имея в виду сказанное выше, удаление НКП считается обязательным в отверстиях высокочастотных печатных плат, однако на практике это не всегда необходимо. Если круглое высвобождение в меди вокруг отверстия велико, взаимодействие между НКП и слоем земли будет снижено. Также оно будет снижено, если высота дорожки (T1 на рис.9) велика, или если диэлектрическая проницаемость диэлектрика мала (Er1 на рис.9). Некоторые производители позволяют разработчикам указать, что НКП могут быть принудительно запрещены на сигнальных слоях при условии, что последние имеют в качестве смежных слой земли или слой питания. Применение этого правила к отверстию на рис.8 позволило бы удалить НКП на слое 5 и, таким образом, исключить его связь со слоями 4 и 6.
6. Увеличение массы МПП
Размер каждой КП составляет примерно 1 мм в диаметре и 35 мкм по высоте. На рис.10 представлена плата ответственного назначения размером 280 Ч 480 мм. Общий вес платы составляет 440 г. Общий вес меди в плате – 183 г, вес НКП – 15,2 г, что составляет 8% от общего веса меди и 3% от общего веса платы. Доля НКП в общей массе невелика, однако в авионике и космическом приборостроении важную роль играет даже незначительное увеличение массы. Более того, оно может привести к увеличению частоты собственных колебаний платы до таких значений, когда потребуется перепроектирование несущей конструкции всего блока, в который она входит. И не исключено, что перепроектирование покажет необходимость такого роста массы силовых деталей блока, который многократно превысит увеличение собственной массы платы за счет НКП.
7. Увеличение вероятности расслоения
Национальная физическая лаборатория Великобритании провела исследования устойчивости двух комплектов МПП (с / без НКП) к термоциклированию [8]. Было создано два комплекта образцов высотой 2,5 мм и с соотношением длины отверстия к его диаметру 10 : 1 (рис.11).
Отказы (рис.12), обнаруженные при термоциклировании образцов при температуре от –55 °С до 125 °С, показаны на рис.13 в виде распределения Вейбулла[2] [9]. График показывает аналогичные градиенты для обоих комплектов образцов. В образцах без НКП время до разрушения больше, чем для образцов с ними. Количество термоциклов до 50% отказов составляет около 700 для образцов с НКП по сравнению с примерно 930-ю циклами без них.
На основании исследования выдвигается предположение, что наличие НКП увеличивает усталость материала на 20%. Причину этого видят в том, что НКП, введенные в отверстия с высоким отношением толщины платы к диаметру просверливаемых отверстий – так называемым аспектным отношением, – выступают в качестве концентраторов напряжений, что приводит к более ранним отказам. Для минимизации этого эффекта рекомендуется ввод НКП только в местах расположения сигнального слоя, наиболее близкого к 1/3 расстояния от верхней и нижней части ПП (итого две НКП в дополнение к функциональным КП). Этот подход делит цилиндр отверстия на три части в отношении нагрузки. Верхняя и нижняя части не испытывают практически никаких растягивающих или сжимающих напряжений, так как большая часть нагрузки сосредоточивается в районе средней части переходного отверстия. Расположение двух удерживающих соединений позволяет получить более равномерное распределение напряжений по всей длине цилиндра отверстия.
8. Уменьшение увода сверла при сверлении
В процессе сверления переходных отверстий МПП, особенно с высоким аспектным отношением (более 10 : 1), зачастую наблюдается разность координат входа и выхода сверла, то есть имеет место отклонение сверла от прямой траектории движения [10, 11]. НКП работают как кондукторы, не давая сверлу отклониться от оси сверления.
При сверлении МПП с низким аспектным отношением (менее 10 : 1) погрешностью отклонения сверла можно пренебречь. Однако надо учитывать, что в современных МПП высокого класса точности могут применяться переходные отверстия диаметром 0,2 мм и менее, а при таких диаметрах аспектное отношение становится высоким даже при сравнительно небольшой толщине МПП, и проблема компенсации этой погрешности становится актуальной.
9. Сокращение трассировочного пространства слоя
Этот фактор имеет значение для ПП высоких классов точности. В таких случаях для рационального использования пространства слоя рекомендуется удалять НКП [12]. Это позволяет сократить протяженность дорожек и упростить топологический рисунок слоя. На рис.14 представлен пример трассировки, когда наличие НКП имеет значение.
10. Ухудшение качества металлизации сквозного отверстия
Существует операция подтрава диэлектрика серной кислотой перед активацией поверхности палладием, которая, в свою очередь, делается перед химической металлизацией. Она необходима, чтобы убрать со стенок отверстия нанос смолы, оставшийся после сверления. При подтравливании диэлектрика образуются канавки (на рис.15 показаны белым цветом), в которых впоследствии скапливаются химикаты и грязь, что ведет к появлению дефектов металлизации, снижающих надежность переходного металлизированного отверстия.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ НКП
Теперь, когда определены эффекты, вызванные наличием НКП, можно сформулировать рекомендации о целесообразности наличия либо отсутствия НКП в конкретных случаях.
При обработке НКП на этапе ТПП необходимо руководствоваться рядом параметров ПП, таких как:
• тип платы: высокочастотная или низкочастотная, гибко-жесткая или жесткая;
• назначение МПП: военная и космическая техника, бытовые приборы и т. д.;
• количество слоев;
• количество меди на слое;
• диаметр используемого сверла;
• количество уже введенных НКП на слое и на плате в целом;
• вес платы;
• размер рабочего пространства на слое.
Собственно рекомендации в кратком изложении можно представить в виде таблицы.
С точки зрения технологичности изготовления НКП ухудшают показатели эффективности из-за осложнений при пайке, при контроле средствами АОИ и снижения качества металлизации. При изготовлении плат для сравнительно простых устройств бытового назначения значимость этих осложнений невелика; с другой стороны, наличие НКП не оказывает и существенного положительного влияния на конечный продукт этой категории. Если же стоит вопрос о введении НКП в электронику военного и космического назначения, то тут необходимо думать о плотности трассировки и появлении помех в высокочастотных сигналах. Можно рекомендовать производителям ПП такого рода электроники не вводить НКП, если только иное не оговорено (требуется) заказчиком.
ЛИТЕРАТУРА
1. Birch B., Road S., Nepean W. Discussion on non functional pad removal / backdrilling and PCB reliability // PWB Interconnect Solut. Inc. 2005. № 7. С. 14–32.
2. Caswell G., Tulkoff C. Non-functional pads should they stay or should they go // DfR Solut. 2010. № 301. С. 45–52.
3. Division S. Space product assurance: design rules for printed circuit. ECSS-Q-ST‑70–12C. Noordwijk, The Netherlands. 173 с.
4. Медведев А. М., Можаров В. А. Размерная стабильность слоев прецизионных многослойных печатных плат // Печатный монтаж (приложение к журналу "ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес"). 2011. № 4. С. 140–147.
5. Можаров В. А. Математическая модель зависимости усадки стеклотектолита от его конструкционных параметров // Труды МАИ. 2013. № 65. С. 1–8; https://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=40666.
6. Медведев А. М., Можаров В. А. Многослойные печатные платы. Способы улучшения размерной стабильности материалов слоев // Производство электроники. 2011. № 5. С. 30–34.
7. Thierauf S. C. High-Speed Circuit Board Signal Integrity, Boston, London: Artech House, Inc., 2004. 243 с.
8. Holes A. V. Through Hole Reliability for High Aspect Via Holes. 2013. № June. С. 50–55.
9. Lau J., Barker D., Dasgupta A. Thermal stress and strain in microelectronics packaging. Van nostrand reinhold company. – New York City, 1993. 683 с.
10. Медведев А. М. Сверление глубоких микроотверстий // Производство электроники. 2013. № 1. С. 1–3.
11. Медведев А. М. Печатные платы. Механическое сверление // Технологии в электронной промышленности. 2012. № 8. С. 10–17.
12. Billow F. Design For Manufacture. Liberty Publishing House. New York City, 2002. 149 c.
Вопрос введения или невведения НКП во внутренние слои печатных плат остается актуальным на протяжении многих лет. Мнения о том, что НКП повышают надежность ПП и поэтому их в обязательном порядке нужно использовать, придерживаются военные, основываясь на исследованиях 60–80-х годов [1]. С ними солидарны потребители верхнего уровня (госкорпорации), считающие, что качество первостепенно вне зависимости от стоимости. Второе мнение – о необходимости удаления НКП – разделяется большинством производителей ПП и представителей коммерческой среды. Они считают, что отсутствие НКП снижает затраты и, как бы парадоксально это ни выглядело, повышает надежность ПП, так как позволяет избежать возможных внутренних коротких замыканий между контактными площадками (КП) и дорожками, а также улучшает качество металлизации сквозных отверстий.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Для последующего анализа проблемы обработки НКП необходимо оценить актуальные подходы производителей и проектировщиков ПП по работе с ними. В ходе исследования 55-ти отечественным предприятиям, производителям ПП, были разосланы опросники об их опыте использования НКП. Ответы получены от 42-х предприятий, и на их основе сделаны следующие выводы:
• отечественные компании, не вводящие НКП, делают это в первую очередь для продления срока службы сверла и формирования точных переходных отверстий в ПП. По их мнению, именно это является основной проблемой надежности. Некоторые предприятия, кроме того, утверждают, что отсутствие НКП повышает качество ПП после травления, а также способствует уменьшению вероятности замыкания на плоскости НКП;
• отечественные компании, вводящие НКП, основываются на убеждении, что НКП действуют в качестве мультифланцевой заклепки для устранения эффекта деламинации. Деламинация, или расслоение, – результат неоднородного расширения ПП по оси Z из-за различий в коэффициенте теплового расширения (КТР) разных материалов – меди и стеклотекстолита. Некоторые же компании признаются, что просто боятся по ошибке удалить используемую функциональную контактную площадку. Часть участников опроса также отметили, что в гибко-жестких ПП вводят НКП для обеспечения дополнительного усиления материала.
Зарубежные изготовители предпочитают не вводить НКП, так как это упрощает процесс сверления [1, 2]. Медь – это тягучий металл, сверление которого всегда является проблемой. С другой стороны, полное отсутствие НКП на большом количестве слоев ПП может привести к большим расстояниям между связанными точками (для соединения площадок) сквозного металлизированного отверстия (СМО), что может повлечь за собой частичное снижение надежности [1]. В качестве одного из компромиссных вариантов рассматривается выборочное удаление НКП. Оно обеспечивает легкость изготовления, сохраняя при этом несколько связующих точек на протяжении всей длины СМО. Другим вариантом является оставление НКП только на слоях питания, даже если они электрически ни с чем не связаны. Эти слои не используются для прокладки сигнальных проводников, так что наличие в них НКП никак не повлияет на сложность трассировки [1].
Все отечественные и зарубежные производители также отметили, что:
• использование стеклотекстолита или полиимида не влияет на решение об использовании НКП [2];
• основной причиной невведения НКП было увеличение технологичности МПП.
СТАНДАРТЫ НА НКП
Единственной организацией, стандартизирующей применение НКП, является Европейская кооперация по стандартизации в области космической техники (European Cooperation for Space Standardization, ECSS).
Согласно их стандарту [3], можно не вводить НКП в двух случаях:
• если наличие НКП ухудшает электрические характеристики;
• если отсутствие НКП предотвращает появление областей с высоким давлением в процессе прессования, в которых может уменьшаться относительное содержание смолы в препреге.
При принятии решения об удалении НКП необходимо соблюдать следующие условия [3]:
• НКП должны остаться на всех слоях питания и земли;
• НКП должны остаться на гибких слоях;
• допускается удалять не более половины всех НКП в переходном отверстии;
• допускается удалять НКП максимум на двух следующих друг за другом слоях;
• допускается удалять НКП только на одной стороне заготовки слоя;
• любые изменения должны быть строго описаны в конструкторской документации.
ФАКТОРЫ ВЛИЯНИЯ НКП НА НАДЕЖНОСТЬ ПП
НКП оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на надежность ПП. Современные требования к надежности аппаратуры зачастую конфликтуют с требованиями по миниатюризации и стоимости конечного устройства, поэтому значение этого влияния неодинаково для различных типов ПП – по назначению платы, плотности трассировки, классу точности и т. д. Для того чтобы обоснованно решить, как поступать с НКП в конкретном случае, необходимо подробно рассмотреть и проанализировать связанные с ними факторы, так или иначе воздействующие на надежность печатных плат и / или различные аспекты технологических процессов их изготовления.
1. Создание теплоотвода при пайке
Стек НКП формирует радиатор, который рассеивает тепло, вследствие чего могут образовываться непропаи в монтажном отверстии.
2. Увеличение времени проверки и количества ложных срабатываний при автоматической оптической инспекции
Для детального контроля качества на производстве ПП используются системы автоматической оптической инспекции (АОИ). Ложные срабатывания затягивают процесс АОИ и снижают внимание оператора, что порождает опасность пропуска критической ошибки.
3. Увеличение геометрической стабильности слоев ПП
Изначально материал слоя МПП испытывает внутренние напряжения, связанные с его композитной природой. Когда при травлении часть меди убирается, эти напряжения перераспределяются, деформируя заготовку. Медь, по сути, армирует тонкое диэлектрическое основание, снижая коробление слоя и не давая высвободиться всем внутренним напряжениям материала на этапе травления [4]. Кроме того, более медленная деградация травильного раствора за счет меньшего растворения меди положительно сказывается на качестве травления. Таким образом, наличие значительных площадей меди, создаваемых НКП (рис.3), оказывает позитивное влияние на качество платы в целом и на точность совмещения в частности.
В работе [5] показано, что геометрическая стабильность (c) фольгированного стеклотекстолита FR4 напрямую зависит от толщины медной фольги (t) и толщины диэлектрика (h). Количественное выражение этой зависимости описывается формулой:
Можно сделать заключение, что наличие большого количества пустот в металлизации слоя ведет к серьезной погрешности расположения и размера межслойных соединений, особенно на тонких основаниях [6]. НКП могут занимать 67% от всей поверхности слоя; поэтому, если рассматривать улучшение его геометрической стабильности как приоритетную задачу, очевидно, что НКП необходимо оставлять.
Однако в зонах установки BGA-корпусов (рис.4) подходящие к КП проводники находятся на разных внутренних слоях, и при этом они располагаются достаточно близко друг к другу. Их близкое расположение не позволяет заполнить пустое пространство медным полигоном. Поэтому НКП под BGA-компонентом рекомендуются к удалению, так как при соблюдении минимального отступа от переходного отверстия площадь заполненного медью полигона будет больше, что будет способствовать уменьшению коробления и, в конечном счете, улучшению совмещения слоев.
4. Снижение времени жизни сверла
Существует гипотеза о том, что наличие НКП приводит к ухудшениям характеристик сверления, так как сверление происходит через дополнительный слой меди НКП, что ведет к увеличению температуры и старению материала внутри отверстия.
Для проверки данной гипотезы был проведен эксперимент. Изготовлена 16-слойная плата размером 175 Ч 280 мм (рис.5), в правой части которой было 6 014 НКП (62 ряда по 97), а в левой – 6 014 так называемых antipads – круглых высвобождений в меди без НКП (кружков свободного стеклотекстолита в сплошном медном полигоне).
Далее все площадки были просверлены (для каждого типа площадок использовалось отдельное сверло диаметром 0,65 мм) (рис.6, 7), причем после прохождения каждого ряда в обоих случаях (с / без НКП) сверлилось контрольное отверстие на краю платы с медной фольгой.
На левом кадре рис.7 – там, где отверстие просверлено через НКП, – видна стружка и буртик, что свидетельствует о сильном затуплении сверла. На контрольных отверстиях без НКП размер буртика значительно меньше, а отверстия не содержат в себе стружку или другие продукты сверления. На половине с НКП буртик начал появляться уже на 8–10 рядах, а на половине без НКП – только на 32–34. Вышеназванные факторы свидетельствуют о большем затуплении сверла, которое формировало отверстия с НКП. На основании этого можно утверждать, что НКП негативно влияют на время жизни сверла при производстве МПП.
5. Привнесение помех в высокочастотный сигнал
На рис.8 показана схема емкостных связей, возникающих между НКП и функциональными элементами топологии слоев МПП, что понижает импеданс в процессе прохождения сигнала вдоль отверстия [7]. Источником сигнала является слой 3, и он переходит к слою 1 через отверстие между слоем 1 и слоем 3.
Это типичное сквозное переходное отверстие, когда КП присутствуют на каждом сигнальном слое, даже если этот слой не связан трассировкой через отверстие. Помимо того, что КП присутствуют на слоях 1 и 3, они также есть на слое 5, хотя на этом слое в них нет необходимости. Как показано на рисунке, НКП на слое 5 имеет емкостную связь со слоями питания (на рисунке показан слой земли) выше и ниже в стеке. Эта нежелательная емкость увеличивает емкостную нагрузку, создаваемую отверстием; если отверстие достаточно длинное или если частота сигнала достаточно высока, неиспользованная часть отверстия будет выступать в качестве фильтрующего элемента.
Имея в виду сказанное выше, удаление НКП считается обязательным в отверстиях высокочастотных печатных плат, однако на практике это не всегда необходимо. Если круглое высвобождение в меди вокруг отверстия велико, взаимодействие между НКП и слоем земли будет снижено. Также оно будет снижено, если высота дорожки (T1 на рис.9) велика, или если диэлектрическая проницаемость диэлектрика мала (Er1 на рис.9). Некоторые производители позволяют разработчикам указать, что НКП могут быть принудительно запрещены на сигнальных слоях при условии, что последние имеют в качестве смежных слой земли или слой питания. Применение этого правила к отверстию на рис.8 позволило бы удалить НКП на слое 5 и, таким образом, исключить его связь со слоями 4 и 6.
6. Увеличение массы МПП
Размер каждой КП составляет примерно 1 мм в диаметре и 35 мкм по высоте. На рис.10 представлена плата ответственного назначения размером 280 Ч 480 мм. Общий вес платы составляет 440 г. Общий вес меди в плате – 183 г, вес НКП – 15,2 г, что составляет 8% от общего веса меди и 3% от общего веса платы. Доля НКП в общей массе невелика, однако в авионике и космическом приборостроении важную роль играет даже незначительное увеличение массы. Более того, оно может привести к увеличению частоты собственных колебаний платы до таких значений, когда потребуется перепроектирование несущей конструкции всего блока, в который она входит. И не исключено, что перепроектирование покажет необходимость такого роста массы силовых деталей блока, который многократно превысит увеличение собственной массы платы за счет НКП.
7. Увеличение вероятности расслоения
Национальная физическая лаборатория Великобритании провела исследования устойчивости двух комплектов МПП (с / без НКП) к термоциклированию [8]. Было создано два комплекта образцов высотой 2,5 мм и с соотношением длины отверстия к его диаметру 10 : 1 (рис.11).
Отказы (рис.12), обнаруженные при термоциклировании образцов при температуре от –55 °С до 125 °С, показаны на рис.13 в виде распределения Вейбулла[2] [9]. График показывает аналогичные градиенты для обоих комплектов образцов. В образцах без НКП время до разрушения больше, чем для образцов с ними. Количество термоциклов до 50% отказов составляет около 700 для образцов с НКП по сравнению с примерно 930-ю циклами без них.
На основании исследования выдвигается предположение, что наличие НКП увеличивает усталость материала на 20%. Причину этого видят в том, что НКП, введенные в отверстия с высоким отношением толщины платы к диаметру просверливаемых отверстий – так называемым аспектным отношением, – выступают в качестве концентраторов напряжений, что приводит к более ранним отказам. Для минимизации этого эффекта рекомендуется ввод НКП только в местах расположения сигнального слоя, наиболее близкого к 1/3 расстояния от верхней и нижней части ПП (итого две НКП в дополнение к функциональным КП). Этот подход делит цилиндр отверстия на три части в отношении нагрузки. Верхняя и нижняя части не испытывают практически никаких растягивающих или сжимающих напряжений, так как большая часть нагрузки сосредоточивается в районе средней части переходного отверстия. Расположение двух удерживающих соединений позволяет получить более равномерное распределение напряжений по всей длине цилиндра отверстия.
8. Уменьшение увода сверла при сверлении
В процессе сверления переходных отверстий МПП, особенно с высоким аспектным отношением (более 10 : 1), зачастую наблюдается разность координат входа и выхода сверла, то есть имеет место отклонение сверла от прямой траектории движения [10, 11]. НКП работают как кондукторы, не давая сверлу отклониться от оси сверления.
При сверлении МПП с низким аспектным отношением (менее 10 : 1) погрешностью отклонения сверла можно пренебречь. Однако надо учитывать, что в современных МПП высокого класса точности могут применяться переходные отверстия диаметром 0,2 мм и менее, а при таких диаметрах аспектное отношение становится высоким даже при сравнительно небольшой толщине МПП, и проблема компенсации этой погрешности становится актуальной.
9. Сокращение трассировочного пространства слоя
Этот фактор имеет значение для ПП высоких классов точности. В таких случаях для рационального использования пространства слоя рекомендуется удалять НКП [12]. Это позволяет сократить протяженность дорожек и упростить топологический рисунок слоя. На рис.14 представлен пример трассировки, когда наличие НКП имеет значение.
10. Ухудшение качества металлизации сквозного отверстия
Существует операция подтрава диэлектрика серной кислотой перед активацией поверхности палладием, которая, в свою очередь, делается перед химической металлизацией. Она необходима, чтобы убрать со стенок отверстия нанос смолы, оставшийся после сверления. При подтравливании диэлектрика образуются канавки (на рис.15 показаны белым цветом), в которых впоследствии скапливаются химикаты и грязь, что ведет к появлению дефектов металлизации, снижающих надежность переходного металлизированного отверстия.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ НКП
Теперь, когда определены эффекты, вызванные наличием НКП, можно сформулировать рекомендации о целесообразности наличия либо отсутствия НКП в конкретных случаях.
При обработке НКП на этапе ТПП необходимо руководствоваться рядом параметров ПП, таких как:
• тип платы: высокочастотная или низкочастотная, гибко-жесткая или жесткая;
• назначение МПП: военная и космическая техника, бытовые приборы и т. д.;
• количество слоев;
• количество меди на слое;
• диаметр используемого сверла;
• количество уже введенных НКП на слое и на плате в целом;
• вес платы;
• размер рабочего пространства на слое.
Собственно рекомендации в кратком изложении можно представить в виде таблицы.
С точки зрения технологичности изготовления НКП ухудшают показатели эффективности из-за осложнений при пайке, при контроле средствами АОИ и снижения качества металлизации. При изготовлении плат для сравнительно простых устройств бытового назначения значимость этих осложнений невелика; с другой стороны, наличие НКП не оказывает и существенного положительного влияния на конечный продукт этой категории. Если же стоит вопрос о введении НКП в электронику военного и космического назначения, то тут необходимо думать о плотности трассировки и появлении помех в высокочастотных сигналах. Можно рекомендовать производителям ПП такого рода электроники не вводить НКП, если только иное не оговорено (требуется) заказчиком.
ЛИТЕРАТУРА
1. Birch B., Road S., Nepean W. Discussion on non functional pad removal / backdrilling and PCB reliability // PWB Interconnect Solut. Inc. 2005. № 7. С. 14–32.
2. Caswell G., Tulkoff C. Non-functional pads should they stay or should they go // DfR Solut. 2010. № 301. С. 45–52.
3. Division S. Space product assurance: design rules for printed circuit. ECSS-Q-ST‑70–12C. Noordwijk, The Netherlands. 173 с.
4. Медведев А. М., Можаров В. А. Размерная стабильность слоев прецизионных многослойных печатных плат // Печатный монтаж (приложение к журналу "ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес"). 2011. № 4. С. 140–147.
5. Можаров В. А. Математическая модель зависимости усадки стеклотектолита от его конструкционных параметров // Труды МАИ. 2013. № 65. С. 1–8; https://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=40666.
6. Медведев А. М., Можаров В. А. Многослойные печатные платы. Способы улучшения размерной стабильности материалов слоев // Производство электроники. 2011. № 5. С. 30–34.
7. Thierauf S. C. High-Speed Circuit Board Signal Integrity, Boston, London: Artech House, Inc., 2004. 243 с.
8. Holes A. V. Through Hole Reliability for High Aspect Via Holes. 2013. № June. С. 50–55.
9. Lau J., Barker D., Dasgupta A. Thermal stress and strain in microelectronics packaging. Van nostrand reinhold company. – New York City, 1993. 683 с.
10. Медведев А. М. Сверление глубоких микроотверстий // Производство электроники. 2013. № 1. С. 1–3.
11. Медведев А. М. Печатные платы. Механическое сверление // Технологии в электронной промышленности. 2012. № 8. С. 10–17.
12. Billow F. Design For Manufacture. Liberty Publishing House. New York City, 2002. 149 c.
Отзывы читателей
