Моделирование электроосаждения для конструкторов печатных плат

Печатные платы лежат в основе почти любого электронного устройства. На них монтируются электронные компоненты и медные проводники, реализующие функциональность изделия. При их изготовлении часто используется процесс электроосаждения, который различается в зависимости от конструкции. Именно поэтому инженеры, ответственные за моделирование и оптимизацию процесса, постоянно создают новые модели. Что, если передать значительную часть этой работы проектировщикам, инженерам и технологам, отвечающим за разработку платы и процесс ее изготовления, предоставив им возможность самостоятельно моделировать процесс электроосаждения для печатной платы? В этой статье мы расскажем вам об этом.

Специализированные приложения для моделирования электроосаждения

Специализированное приложение для моделирования электроосаждения можно разработать с помощью Среды разработки приложений и модуля Электроосаждение в программном пакете COMSOL Multiphysics, начиная с версии 5.0. С помощью этого приложения проектировщики плат смогут моделировать технологический процесс изготовления платы и изучать различные факторы, влияющие на него. Даже не будучи изначально знакомыми с технологией электроосаждения, они смогут оценить, можно ли нанести на определенную плату медные соединения с нужными свойствами, оценить рабочие характеристики полученных устройств и производственные затраты на процесс электроосаждения.

Сложности проектирования процесса электроосаждения медных соединений

Обычно на печатной плате располагается один или несколько слоев медных проводников, соединяющих активные и пассивные устройства. При изготовлении более сложных печатных плат для получения проводников используется селективное электролитическое осаждение меди. Перед началом процесса электроосаждения на печатную плату наносится шаблон из изолирующей пленки. Этот процесс происходит в несколько этапов.

Нанесение шаблонной изолирующей пленки на печатную плату

Сначала печатную плату покрывают тонким проводящим затравочным слоем меди. Далее поверхность печатной платы покрывается фоторезистом (светочувствительной полимерной пленкой) с помощью фотолитографии. В этом процессе слой фоторезиста освещается ультрафиолетом через фотошаблон, после чего области, которые были освещены, вытравливаются. В результате получается печатная плата с диэлектрической пленкой, повторяющей шаблон и частично открывающей затравочный слой снизу.

Слева: на плату нанесен затравочный слой. Справа: на плату с помощью фотолитографии нанесен фоторезист по шаблону.

В процессе электроосаждения плату погружают в электролитическую ванну с электролитом, в состав которого входят серная кислота и сульфат меди, и медными анодами (например, в виде медных стержней). Между анодами и катодом — затравочным слоем — прикладывается напряжение, и ионы меди электрохимически восстанавливаются до металлической меди, которая осаждается на затравочном слое. Толщина осажденного слоя прямо пропорциональна скорости электрохимической реакции, которая определяется плотностью тока в разных точках затравочного слоя. В результате участки поверхности, не покрытые фоторезистом, заполняются металлической медью. Скорость осаждения поддерживается посредством регулирования средней плотности тока, которая равна полному току, деленному на площадь осаждения.

В конце процесса остатки фоторезиста удаляются, а тонкий затравочный слой вытравливается, чтобы отделить нанесенные медные проводники друг от друга.

Слева: на проводящий затравочный слой осаждается медь, заполняя участки поверхности печатной платы, не покрытые фоторезистом. Справа: фоторезист удаляется, а открытый затравочный слой вытравливается, чтобы отделить медные проводники друг от друга.

Равномерность осаждения

Один из известных недостатков этого процесса состоит в том, что скорость осаждения различается на разных участках печатной платы. Электрическое поле в электролите концентрируется вокруг проводящих участков, окруженных крупными диэлектрическими областями, а также вблизи краев печатной платы. Такое неравномерное распределение электрического поля приводит к локальному увеличению плотности тока на поверхности катода в подобных зонах — этот эффект обычно называют сжатием тока (current crowding). Толщина покрытия пропорциональна интегралу плотности тока по времени, из-за чего появляются нежелательные колебания толщины медных соединений на печатной плате. Это, в свою очередь, означает, что соединения в разных местах печатной платы будут иметь разное сопротивление. Различия в сопротивлении могут стать причиной ухудшения работы или даже неисправности электронного устройства, в котором будет использоваться печатная плата.

Слева: для осаждения медных соединений печатную плату погружают в электролитическую ванну (электролит) вместе с медными анодами. Когда между анодом и печатной платой прикладывается напряжение, медь осаждается, формируя соединения по шаблону. Электрическое поле между анодом и проводящими частями печатной платы концентрируется на участках, окруженных крупными диэлектрическими областями, а также вблизи краев печатной платы. На рисунке слева это показывают цветные силовые линии электрического поля. Это приводит к локальному увеличению толщины медного слоя в этих областях, что показано красным цветом на рисунке соединений справа.

Моделирование и оптимизация на этапе проектирования

Чтобы избежать ухудшения характеристик или выхода из строя электронного устройства во время эксплуатации, медные цепи должны отвечать ряду требований по равномерности толщины. Обычно проектировщики печатных плат опираются на простые правила, основанные на максимальных и минимальных размерах дорожек, расстояний между ними, а также плотности шаблона. Однако, моделируя процесс электроосаждения, можно получить гораздо более точную оценку предполагаемых колебаний толщины медного слоя. Имея такие данные, можно изменить конструкцию печатной платы на ранних стадиях, не дожидаясь результатов испытаний прототипов.

Чтобы уменьшить сжатие тока, большие непроводящие области можно заполнить слоем медных элементов, не подключенных к остальной схеме. В таком случае такие "нерабочие" компоненты оттянут на себя часть тока, снижая высокую плотность тока вокруг рабочих соединений. Плотность тока вокруг некоторых из этих нерабочих элементов также может оказаться высокой, но это не имеет значения, так как они не подключены к остальным компонентам печатной платы. Моделирование позволяет быстро и легко изменять конструкцию печатной платы и рассчитывать однородность толщины медного слоя для разных вариантов шаблонов.

Чтобы уменьшить неравномерность толщины медного слоя, большие непроводящие области можно заполнить слоем медных компонентов, не подключенных к основной схеме. На рисунке слева красным цветом выделены участки вблизи непроводящих областей, на которых осаждается толстый слой меди. На рисунке справа добавлены "нерабочие" элементы, уменьшающие разброс толщины меди в соединениях при электроосаждении.

Колебания толщины можно также снизить, доработав электролитическую ванну. Чтобы ослабить эффект сжатия тока, можно использовать трафарет с апертурой.

Это непроводящий экран с отверстием, который размещается внутри электролитической ванны между медными анодами и печатной платой. Чтобы ослабить эффект сжатия тока, отверстие в апертуре должно быть меньше, чем размеры печатной платы. Помимо этого, трудно делать какие-либо предположения о наилучшем размере и положении отверстия.

К счастью, мы можем легко и быстро найти ответы на эти вопросы с помощью моделирования. На рисунках ниже показана модель апертуры (трафарета) с прямоугольным отверстием. Размеры отверстия и положение апертуры в ванне оптимизированы для снижения колебаний толщины осаждаемого слоя в печатной плате.

Чтобы избежать эффекта сжатия тока у краев печатной платы и у краев отверстия (см. рисунок слева), внутри электролитической ванны между медными анодами и печатной платой размещается непроводящий экран с отверстием. На рисунке справа показана апертура, для которой размер и положение отверстия оптимизированы с помощью моделирования и обеспечивают минимальные колебания толщины.

Факторы, влияющие на производственные затраты

Чтобы сохранять конкурентоспособность, производители печатных плат всегда должны учитывать производственные затраты. Как уже говорилось, конечное изделие обычно должно отвечать требованиям по равномерности толщины медного слоя. Равномерность толщины тесно связана с общей скоростью процесса электроосаждения: чем выше скорость, тем больше колебания толщины. Кроме этого, полное время осаждения определяет производительность линии и, следовательно, производственные затраты.

Как минимизировать затраты на производство

Чтобы снизить затраты, электроосаждение выполняется с максимальной скоростью, обеспечивающей требуемую равномерность толщины. Моделируя влияние скорости осаждения, можно оценить максимальную скорость, при которой будет достижима заданная равномерность толщины. Таким образом, мы можем оценить производственные затраты уже на стадии проектирования.

Улучшив конструкцию или добавив апертуру для повышения равномерности, можно узнать, насколько это позволит увеличить скорость осаждения и какова будет экономия затрат при изготовлении плат.

Предоставление доступа к моделям электроосаждения с помощью специального приложения

Модели электроосаждения создают профессионалы в области электрохимии, хорошо разбирающиеся в моделировании и соответствующем программном обеспечении. Проектировщики печатных плат, в свою очередь, обычно хорошо разбираются в электротехнике, но не знают особенности электрохимических процессов, которые используются при изготовлении плат.

Теперь мы знаем, какие преимущества приносит моделирование электроосаждения, но как сделать численные модели доступными для проектировщиков печатных плат?

Разработка приложения

Один из вариантов — создать приложение со специализированным и простым интерфейсом, которое позволит проектировщикам изменять важные параметры процесса и рассчитывать модели электроосаждения несколькими щелчками мыши.

С помощью Среды разработки приложений в пакете COMSOL Multiphysics начиная с версии 5.0 специалисты в области моделирования могут с легкостью создавать подобные приложения и предоставлять к ним доступ всем заинтересованным сотрудникам организации.

Приложение для моделирования электроосаждения позволяет проектировщикам печатных плат импортировать различные шаблоны (в том числе с "нерабочими" элементами), проводить расчеты и визуализировать полученную при моделировании неравномерность толщины соединений. В приложении можно изменять размеры электролитической ванны и анодов, а также добавлять апертуру. Одним щелчком мыши вы можете оптимизировать размеры и положение апертуры. Кроме того, приложение позволяет рассчитывать максимальную скорость осаждения для заданной равномерности толщины соединений. Это позволяет оценить производственные затраты.

Пользовательский интерфейс приложения для моделирования электроосаждения. Приложение позволяет проектировщикам печатных плат загружать различные шаблоны, изменять размеры электролитической ванны, а также, по желанию, использовать апертурную диафрагму с заданными размерами.

В приложении для моделирования электроосаждения пользователь может проводить расчеты одним щелчком мыши. Пользователи могут рассчитывать равномерность толщины соединений и изучать, как на нее влияют конструкция платы, скорость осаждения и конструкция электролитической ванны. Кроме этого, приложение позволяет оптимизировать размеры апертурного отверстия с тем, чтобы снизить различия в толщине соединений. Наконец, приложение позволяет рассчитывать максимальную скорость осаждения, соответствующую требованиям к равномерности толщины соединений.

Заключение

Мы рассмотрели важность и актуальность моделирования при создании современных печатных плат с использованием электроосаждения медных соединений. Моделируя процесс электроосаждения на этапе проектирования, можно предотвратить ухудшение рабочих характеристик или выход из строя устройства из-за неравномерной толщины осажденного слоя меди.

Обычно такие численные модели создаются не проектировщиками печатных плат, а специалистами по электроосаждению и моделированию. Теперь благодаря приложению для моделирования со специализированным и простым интерфейсом проектировщики печатных плат имеют доступ к моделированию процесса электроосаждения. Проектировщики смогут использовать все преимущества моделирования в своей ежедневной работе.

В итоге это позволяет снизить производственные затраты за счет сокращения числа прототипов и улучшения конструкции платы. Кроме того, инженеры и технологи, отвечающие за процесс производства, также могут использовать аналогичные приложения для своих рабочих задач. Это позволяет им вносить мелкие улучшения и корректировки в процесс электроосаждения, а также упрощает контроль качества.

Дополнительная литература

• Узнайте больше о Среде разработки приложений
• Изучите модуль Электроосаждение

#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol