Co to jest kradzież w PCB i dlaczego jest stosowana?

W naszych kursach z zakresu projektowania wysokich prędkości przekazujemy uczestnikom przykładowe PCB, aby mogli zobaczyć fizyczną reprezentację omawianych przez nas zagadnień. Jedno z często zadawanych przez nich pytań dotyczy kradzieży miedzi i korzyści, jakie to przynosi. Ten artykuł opisuje kradzież miedzi (czasami nazywaną thieving), do jakich sekcji płytki jest stosowana; w jakim momencie produkcji jest to wykonywane, jak jest to związane z operacjami galwanizacji; kto jest odpowiedzialny za dodanie kradzieży miedzi do zewnętrznej warstwy grafiki oraz jej wady i zalety.

Opisy i przedstawienia

Pytania, które pojawiają się w kontekście kradzieży miedzi, obejmują:

• Co to jest kradzież miedzi?
• Dlaczego dodaje się ją do zewnętrznych warstw?
• Dlaczego kropki kradzieży miedzi różnią się wielkością?
• Kto jest odpowiedzialny za umieszczenie kropek na zewnętrznej warstwie grafiki PCB?

Odpowiedzi na te pytania znajdują się w poniższym komentarzu. Po pierwsze, "thieving" to dodawanie "martwych" padów na powierzchni, które są pokrywane razem z zaprojektowanymi na zewnętrznych warstwach elementami. Celem tego procesu jest zapewnienie jednolitego rozkładu miedzi na zewnętrznych warstwach, aby prąd galwaniczny i pokrywanie otworów były bardziej jednolite. Te martwe pady są połączone razem ze wszystkimi innymi elementami, które będą pokryte miedzią laminowaną na stos PCB. Po pokryciu, miedź pomiędzy martwymi padami jest usuwana, pozostawiając je izolowane od siebie oraz od innych elementów na warstwach powierzchniowych.

Rysunki 1 i 2 pokazują dwa przykłady stosowania metody thieving. Jak widać na Rysunku 1, wokół BGA znajdują się okrągłe kropki. Tutaj, thieving musi być wykonane, aby miedź miała tę samą wysokość na całej płycie i komponencie. Rysunek 2 pokazuje thieving wokół złącza prasowanego. Zapewnia to, że pokrycie w otworach jest jednolitej grubości.

Aby lepiej zrozumieć kradzież miedzi w PCB, przydatne jest zapoznanie się z operacjami galwanizacji, opisanymi poniżej. Uwaga: Kradzież nie jest wymagana na warstwach wewnętrznych, ponieważ są one wystawione tylko na działanie trawienia i nie wymagają galwanizacji.

Operacje galwanizacji

Galwanizacja warstw zewnętrznych

Galwanizacja warstw zewnętrznych jest przeprowadzana w celu osadzenia miedzi w otworach przelotowych i otworach na wyprowadzenia komponentów, tak aby utworzyć połączenia z jednej strony PCB na drugą. Wykonuje się ją również w celu nawiązania połączeń z sygnałami i płaszczyznami na warstwach wewnętrznych. Dwie zewnętrzne warstwy PCB są utrzymywane jako pełna miedź do momentu zakończenia wiercenia i procesów galwanizacji, aby zapewnić ścieżkę dla prądu galwanizacji potrzebnego do pokrycia miedzią otworów.

Galwanizacja paneli

W początkowych dniach produkcji PCB, cały panel, na którym formowano PCB, był zanurzany w kąpieli galwanicznej po wywierceniu otworów i oczyszczeniu z zadziorów i zanieczyszczeń. Nazywa się to galwanizacją paneli. Wyzwaniem w galwanizacji paneli jest to, że miedź jest osadzana na całej powierzchni, nawet w tych obszarach, gdzie po procesie trawienia nie będą umieszczone ścieżki ani pady. Powoduje to dwie kwestie:

• Usuwanie niepożądanego miedzi musi przejść przez miedź naniesioną na zewnętrzną powierzchnię, jak również przez oryginalną miedź na zewnętrznej warstwie. Wymaga to użycia większej ilości chemikaliów i również zajmuje więcej czasu.
• W miarę jak trawienie przebiega przez miedź, trawione są również boki, co skutkuje mniejszą dokładnością kontroli szerokości ścieżek. Doprowadziło to do opisanego poniżej procesu galwanizacji wzorcowej.

Galwanizacja Wzorcowa

Galwanizacja wzorcowa to proces, w którym miedź jest nakładana tylko na te elementy, które pozostaną po ostatecznym wytrawieniu zewnętrznych warstw. Zazwyczaj do cech włączone są wszystkie otwory przelotowe, ścieżki oraz pady montażowe komponentów. Proces ten jest realizowany poprzez nałożenie na dwie zewnętrzne warstwy rezystu do galwanizacji po zakończeniu wiercenia. Ten rezyst do galwanizacji jest światłoczuły i jest wystawiony na światło, które utwardza rezyst w obszarach, które nie mają być pokryte. Nieutwardzony rezyst jest zmywany, a obszary, które muszą być pokryte, pozostają odsłonięte. Następnym krokiem jest galwanizacja.Problem z galwanizacją wzorcową polega na tym, że jeśli elementy na zewnętrznych warstwach nie są równomiernie rozłożone na powierzchni, prądy galwaniczne również nie będą równomiernie rozłożone, a niektóre elementy, takie jak przelotki i otwory złącz, będą pokryte cieńszą lub mniej jednolitą warstwą niż inne, które są umieszczone dalej od siebie. Gdy istnieje potrzeba bardzo jednolitej galwanizacji, jak w przypadku otworów złącza typu press-fit, jak pokazano na rysunku 2, należy podjąć działania, aby prąd galwaniczny był równomiernie rozprowadzony na całej powierzchni. Tutaj z pomocą przychodzi tzw. "kradzież miedzi" (copper thieving).

Kto dodaje "kradzież miedzi" do zewnętrznych warstw projektu i dlaczego kropki różnią się kształtem i rozmiarem?

Każdy producent ma algorytmy, które analizują rozkład miedzi w dostarczonym przez klienta projekcie. Inżynierowie procesu produkcyjnego w firmie produkcyjnej określą, ile miedzi należy dodać, aby osiągnąć jednolitą galwanizację. Ta dodatkowa miedź jest dodawana w formie kropek lub kwadratów. Jak można zauważyć na dołączonych do tego artykułu rysunkach, każdy producent ma inny kształt i rozmiar funkcji "kradzieży miedzi" na PCB.

Ostrzeżenie dotyczące "kradzieży miedzi"

Jeśli na warstwach znajdujących się tuż pod miejscem, gdzie dodano kradzież miedzi, znajdują się ścieżki, impedancja tych ścieżek może być negatywnie wpływana, jeśli kradzież zostanie zastosowana nad nimi. Aby zapewnić, że do tego nie dojdzie, należy dodać notatkę do rysunku produkcyjnego z instrukcją, czy kradzież jest dozwolona i gdzie jest ona dopuszczalna. Oto jeden ze sposobów określenia tego na rysunku produkcyjnym:

• „Kradzież miedzi jest dozwolona na warstwach zewnętrznych, aby zapewnić jednolite pokrycie. Kradzież nie może znajdować się bliżej niż 0,100” (2,5 mm) od jakiejkolwiek innej cechy miedzi na warstwach zewnętrznych. Nie może być w odległości mniejszej niż 0,100” (2,5 mm) od ścieżek na pierwszej zakopanej warstwie sygnałowej pod warstwami zewnętrznymi. Wzór kradzieży jest do dyskrecji dostawcy i nie może składać się z litej miedzi.”

Skutki nie dodania kradzieży do warstw zewnętrznych

Jeśli kradzież miedzi nie została dodana do warstwy zewnętrznej PCB, które mają nierównomierny rozkład cech do pokrycia, takich jak ścieżki o kontrolowanej impedancji, otwory na złącza prasowane i pady montażowe komponentów, cechy te będą pokryte znacznie większą ilością miedzi niż te, które są gęsto upakowane.

Parametrem kontrolującym proces pokrywania zewnętrznych warstw PCB jest zapewnienie, że w otworach przelotowych i otworach montażowych komponentów zostanie nałożona odpowiednia ilość miedzi, aby zapewnić solidne połączenia. W większości przypadków najbardziej krytyczne są otwory, które będą przyjmować zatrzaskowe piny złącz. Kontrola nad tymi elementami zazwyczaj wynosi +/- 2 mils lub 0,05 mm. Galwanizatorzy będą kontynuować proces pokrywania, aż spełniona zostanie ta specyfikacja. Bez stosowania metody "thieving", większość innych elementów zostanie pokryta nadmierną ilością miedzi, co spowoduje, że gotowy rozmiar otworu będzie zbyt mały lub zostanie wpływ na impedancję ścieżek.

Podsumowanie

Thieving to metoda stosowana przez producentów, aby zapewnić jednolite pokrywanie miedzią otworów wywierconych w PCB. Aby to osiągnąć, prąd galwaniczny musi być równomiernie rozprowadzony po powierzchniach zewnętrznych warstw PCB. Thieving zapewnia, że miedź będzie równomiernie rozprowadzona, gdy rozkład otworów do pokrycia nie jest jednolity.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc Ci w Twoim kolejnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem w Altium.