Was ist Thieving in PCBs und warum wird es gemacht?

In unseren Hochgeschwindigkeitsdesign-Kursen geben wir Beispiel-PCBs herum, damit die Studierenden eine physische Darstellung der Dinge sehen können, die wir im Unterricht beschreiben. Eine Frage, die uns häufig gestellt wird, bezieht sich auf das Thieving und die Vorteile, die es bietet. Dieser Artikel beschreibt Thieving (manchmal als Kupferdiebstahl bezeichnet), auf welche Abschnitte der Platine es angewendet wird; zu welchem Zeitpunkt in der Fertigung es durchgeführt wird, wie es sich auf die Plattierungsoperationen bezieht; wer für das Hinzufügen von Thieving zur äußeren Schicht der Kunstwerke verantwortlich ist und seine Nachteile und Vorteile.

Beschreibungen und Darstellungen

Die Fragen, die sich in Bezug auf Thieving ergeben, umfassen:

• Was ist Thieving?
• Warum wird es den äußeren Schichten hinzugefügt?
• Warum variieren die Größen der Thieving-Punkte?
• Wer ist verantwortlich für das Platzieren der Punkte auf der Kunstwerkschicht der äußeren PCB?

Die Antworten auf diese Fragen werden im folgenden Kommentar gegeben. Zunächst ist das "Thieving" das Hinzufügen von „Dummy“-Pads über die Oberfläche, die zusammen mit den auf die äußeren Schichten entworfenen Merkmalen plattiert werden. Der Zweck des Prozesses besteht darin, eine gleichmäßige Verteilung von Kupfer über die äußeren Schichten zu gewährleisten, um den Plattierungsstrom und die Plattierung in den Löchern gleichmäßiger zu machen. Diese Dummy-Pads werden zusammen mit allen anderen Merkmalen, die durch das äußere Schichtkupfer laminiert werden, auf dem PCB-Stackup plattiert. Nach der Plattierung wird das Kupfer zwischen den Dummy-Pads weggeätzt, sodass sie isoliert von einander sowie von anderen Merkmalen auf den Oberflächenschichten bleiben.

Abbildungen 1 und 2 zeigen zwei Beispiele für Kupferdiebstahl. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, gibt es runde Punkte um ein BGA. Hier muss das Thieving durchgeführt werden, um das Kupfer über das Board und das Bauteil hinweg auf gleicher Höhe zu halten. Abbildung 2 zeigt Thieving um einen Press-Fit-Steckverbinder. Dies stellt sicher, dass die Plattierung in den Löchern gleichmäßig dick ist.

Um das Kupferdiebstahl bei Leiterplatten besser zu verstehen, ist es nützlich, die Plattierungsprozesse zu überprüfen, wie unten beschrieben. Hinweis: Diebstahl ist bei inneren Schichten nicht erforderlich, da diese nur dem Ätzen ausgesetzt sind und keine Plattierung benötigen.

Plattierungsoperationen

Plattierung der Außenschichten

Die Plattierung der Außenschichten erfolgt, um Kupfer in den Vias und Komponentenführungslöchern abzuscheiden, sodass Verbindungen von einer Seite der PCB zur anderen gebildet werden. Es wird auch durchgeführt, um die Verbindungen zu Signalen und Ebenen auf den inneren Schichten herzustellen. Die zwei äußeren Schichten einer PCB werden als Vollkupfer belassen, bis die Bohr- und Plattierungsprozesse abgeschlossen sind, um einen Weg für den Plattierungsstrom zu bieten, der benötigt wird, um das Kupfer in den Löchern zu plattieren.

Panelplattierung

In den Anfangstagen der PCB-Herstellung würde das gesamte Panel, auf dem eine PCB geformt wurde, nach dem Bohren der Löcher und dem Reinigen von Graten und Schmutz in das Plattierungsbad getaucht. Dies wird als Panelplattierung bezeichnet. Die Herausforderung bei der Panelplattierung besteht darin, dass Kupfer über die gesamte Oberfläche plattiert wird, auch in jenen Bereichen, in denen nach dem Ätzprozess keine Leiterbahnen oder Pads platziert werden. Dies führt zu zwei Problemen:

• Das Ätzen des unerwünschten Kupfers muss sowohl durch das auf die äußere Oberfläche aufgebrachte Kupfer als auch durch das ursprüngliche Kupfer auf der Außenschicht erfolgen. Dies erfordert den Einsatz von mehr Chemikalien und nimmt auch mehr Zeit in Anspruch.
• Beim Ätzen durch das Kupfer ätzt es auch seitwärts, was zu einer weniger genauen Kontrolle der Leiterbahnbreite führt. Dies führte zum nachfolgend beschriebenen Musterplattierungsprozess.

Musterplattierung

Die Musterplattierung ist ein Prozess, bei dem Kupfer nur auf jenen Merkmalen aufgebracht wird, die nach dem endgültigen Ätzen der Außenschichten zurückbleiben sollen. Üblicherweise umfassen die Merkmale alle durchkontaktierten Löcher, die Leiterbahnen und die Montagepads für Komponenten. Dieser Prozess wird durchgeführt, indem ein Plattierungsresist auf die beiden äußeren Schichten nach dem Bohren aufgetragen wird. Dieser Plattierungsresist ist lichtempfindlich und wird einem Licht ausgesetzt, das den Resist in Bereichen, die nicht plattiert werden sollen, verfestigt. Der nicht belichtete Resist wird weggewaschen, und die zu plattierenden Bereiche bleiben freiliegend. Das Plattieren ist der nächste Schritt, der stattfindet.

Das Problem beim Musterplattieren besteht darin, dass, wenn die Merkmale auf den äußeren Schichten nicht gleichmäßig über die Oberfläche verteilt sind, die Plattierungsströme ebenfalls nicht gleichmäßig verteilt werden. Einige Merkmale, wie Durchkontaktierungen und Steckverbinderlöcher, werden weniger stark oder gleichmäßig plattiert als andere, die weiter auseinander liegen. Wenn eine sehr gleichmäßige Plattierung erforderlich ist, wie bei den Löchern eines Pressfit-Steckverbinders, wie in Abbildung 2 gezeigt, muss etwas unternommen werden, um den Plattierungsstrom gleichmäßig über die gesamte Oberfläche zu verteilen. Hier kommt das Kupferdiebstahlverfahren ins Spiel.

Wer fügt dem äußeren Schichtbildwerk Kupferdiebstahl hinzu und warum variieren die Punkte in Form und Größe?

Jeder Hersteller verfügt über Algorithmen, die die Verteilung von Kupfer im vom Kunden gelieferten Schichtbildwerk untersuchen. Das Fertigungsingenieurteam beim Hersteller wird bestimmen, wie viel Kupfer hinzugefügt werden muss, um eine gleichmäßige Plattierung zu erreichen. Dieses zusätzliche Kupfer wird in Form von Punkten oder Quadraten hinzugefügt. Wie in den mit diesem Artikel enthaltenen Abbildungen zu sehen ist, hat jeder Hersteller eine andere Form und Größe für die Kupferdiebstahlmerkmale der PCB.

Eine Warnung bezüglich Kupferdiebstahls

Wenn sich Leiterbahnen auf den Schichten direkt unterhalb befinden, wo Kupferdiebstahl hinzugefügt wurde, kann die Impedanz dieser Leiterbahnen negativ beeinflusst werden, wenn der Diebstahl über sie angewendet wird. Um sicherzustellen, dass dies nicht geschieht, muss eine Notiz zu der Fertigungszeichnung hinzugefügt werden, die angibt, ob Diebstahl erlaubt ist und wo er gestattet ist. Folgendes ist eine Möglichkeit, dies auf einer Fertigungszeichnung zu spezifizieren:

• „Diebstahl ist auf den äußeren Schichten erlaubt, um eine gleichmäßige Beschichtung zu gewährleisten. Der Diebstahl darf nicht näher als 0,100” (2,5 mm) von jeglichen anderen Kupfermerkmalen auf den äußeren Schichten sein. Er darf nicht innerhalb von 0,100” (2,5 mm) von Leiterbahnen auf der ersten vergrabenen Signallage unter den äußeren Schichten sein. Das Diebstahlsmuster liegt im Ermessen des Lieferanten und darf nicht aus massivem Kupfer bestehen.“

Die Konsequenzen, wenn kein Diebstahl zu den äußeren Schichten hinzugefügt wird

Wenn kein Kupferdiebstahl zur äußeren Schicht von PCBs hinzugefügt wurde, die eine ungleichmäßige Verteilung von zu plattierenden Merkmalen wie kontrollierten Impedanzleiterbahnen, Löchern für Pressfit-Verbinder und Komponentenmontagepads aufweisen, werden die isolierten Merkmale mit weit mehr Kupfer beschichtet als die, die dicht gepackt sind.

Der kontrollierende Parameter für das Beschichten der äußeren Schichten einer Leiterplatte besteht darin, sicherzustellen, dass ausreichend Kupfer in die Vias und Komponentenmontagelöcher eingebracht wird, um robuste Verbindungen zu gewährleisten. In den meisten Fällen sind die kritischsten Löcher jene, die Pressfit-Pins von Steckverbindern aufnehmen werden. Die Kontrolle hierüber liegt üblicherweise bei +/- 2 mils oder 0,05 mm. Galvanisierer werden die Beschichtung so lange fortsetzen, bis diese Spezifikation erfüllt ist. Ohne Diebstahl werden die meisten anderen Merkmale mit übermäßigen Mengen an Kupfer beschichtet, sodass die fertige Lochgröße zu klein ist oder die Impedanz der Leiterbahn beeinträchtigt wird.

Zusammenfassung

Diebstahl ist eine Methode, die von Herstellern verwendet wird, um sicherzustellen, dass Kupfer in den durch eine Leiterplatte gebohrten Löchern gleichmäßig beschichtet wird. Um dies zu erreichen, muss der Beschichtungsstrom gleichmäßig über die Oberflächen der äußeren Schicht der Leiterplatte verteilt werden. Diebstahl stellt sicher, dass das Kupfer gleichmäßig verteilt wird, wenn die Verteilung der zu beschichtenden Löcher nicht einheitlich ist.

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