Dung sai đăng ký giờ đây là một ràng buộc thiết kế, không còn chỉ là vấn đề của nhà chế tạo nữa.

Trong nhiều năm, dung sai đăng ký trong quá trình chế tạo PCB là điều mà các nhà chế tạo luôn phải lo lắng. Tuy nhiên, khi chúng ta bước vào kỷ nguyên Ultra HDI và các kích thước đặc tính ngày càng thu nhỏ, dung sai đăng ký trở thành một yếu tố then chốt mà các nhà thiết kế phải đưa vào checklist thiết kế PCB của mình. Gần đây tôi nghe ai đó nói: “Nhưng nhà chế tạo phải giữ được mức đó chứ.” Câu nói đó không mang tính phòng thủ. Nó được nói ra một cách chân thành. Bố cục đáp ứng mọi quy tắc, quá trình rà soát thiết kế đã thông qua, các file đều sạch và không có dấu hiệu cảnh báo nào. Cũng không có lỗi nghiêm trọng nào. Tỷ lệ đạt yêu cầu vẫn chấp nhận được, nhưng không như kỳ vọng. Có một vài via bị lệch và một số vòng khuyên annular ring trông hơi mỏng khi cắt ngang để kiểm tra. Vào thời điểm đó, cả hai điều này đều không có vẻ là vấn đề lớn.

Đăng ký luôn luôn quan trọng

Sự dịch chuyển đăng ký không phải là điều mới. Trong lịch sử, vật liệu luôn giãn nở và co lại trong quá trình chế tạo, khuôn ảnh bị kéo giãn, khoan laser bù sai lệch, rồi đôi khi lại bù quá mức. Không điều nào trong số đó thay đổi khi chúng ta chuyển từ cấu trúc HDI sang Ultra HDI.

Vậy tại sao chúng ta đột nhiên lại lo ngại về đăng ký trong chế tạo Ultra HDI? Với sự phát triển của thu nhỏ hóa, điều đã thay đổi là lượng dư địa còn lại để hấp thụ sai lệch đó. Khi độ dày điện môi giảm xuống và các đặc tính đồng trở nên hẹp hơn, cùng một mức dịch chuyển tính bằng micron trước đây vẫn nằm an toàn trong biên độ cho phép thì nay lại trực tiếp ăn vào phần biên đó. Trong HDI, sự dịch chuyển này có thể chỉ là nhiễu nền. Trong Ultra HDI, nó xuất hiện đúng ở những nơi mà nhà thiết kế đặc biệt quan tâm: khoảng cách via đến trace, tính đối xứng của capture pad, và độ thẳng hàng của microvia xếp chồng.

Một nhà chế tạo từng nói: “Chúng tôi không mất đăng ký. Chúng tôi chỉ hết độ dung thứ.” Câu nói đó khiến tôi nhớ mãi như một lời nhắc rất hay về sự thay đổi mô hình tư duy này. Nếu HDI có thể có khoảng cách 75 micron, thì Ultra HDI có thể chỉ còn 25 micron. Trên màn hình máy tính, chúng có thể trông khá giống nhau, nhưng trên sàn sản xuất PCB thì tác động lại rất lớn.

Liệu đáp ứng mức tối thiểu có nên là một chiến lược?

Các kiểm tra quy tắc thiết kế cho Ultra HDI vẫn đang tiếp tục phát triển khi các nhà chế tạo đi theo đường cong học hỏi của công nghệ mới này. Hiện nay, có thể nói rằng phần lớn thời gian các thiết kế Ultra HDI về mặt kỹ thuật vẫn đáp ứng các quy tắc tiêu chuẩn mà chúng ta đã sử dụng. Khoảng cách giữa điều “đã từng là” và điều “sẽ trở thành” đang thay đổi. Kiểm tra quy tắc thiết kế xác nhận hình học. Một via có khoảng hở với trace đúng bằng giá trị tối thiểu được phép trong CAD vẫn có thể dễ gặp rủi ro khi xuất hiện dịch chuyển giữa các lớp.

Đây là lúc những thói quen hình thành từ thời HDI âm thầm chống lại nhà thiết kế. Dùng các quy tắc khoảng cách toàn cục. Xem kích thước capture pad như những giá trị cố định. Giả định tính đối xứng trong khi vật liệu và quy trình lại vận hành bất đối xứng.

Nơi rủi ro đăng ký xuất hiện

Các vấn đề về đăng ký hiếm khi tự bộc lộ một cách rõ ràng. Chúng thường xuất hiện dưới dạng những tín hiệu nhỏ nhưng đáng lo, đòi hỏi nhà chế tạo phải nhìn nhận tổng thể và gắn cờ cảnh báo.

• Các điểm bắn laser về mặt kỹ thuật vẫn nằm trong spec nhưng không còn ở chính giữa
• Các annular ring đạt yêu cầu điện nhưng làm dấy lên câu hỏi về độ tin cậy
• Các khoảng hở bị bào mòn vừa đủ để khiến việc kiểm tra trở nên thiếu yên tâm
• Các ảnh first-article khiến mọi người phải ngừng lại khá lâu trong các cuộc gọi rà soát

Đến khi những dấu hiệu này xuất hiện, thiết kế đã khóa chặt phần lớn rủi ro của nó. Vẫn có thể điều chỉnh, nhưng lúc đó sẽ không còn dễ dàng nữa. Chúng ta đang thấy vấn đề đăng ký dịch chuyển vào chính cuộc trao đổi về thiết kế.

Không thể mặc nhiên cho rằng nếu một cấu trúc đã hoạt động tốt trong lần build HDI trước, thì nó cũng sẽ hành xử y như vậy trong Ultra HDI. Điều tương tự cũng đúng với dung sai căn chỉnh của microvia xếp chồng và microvia so le. Cũng sẽ rất nguy hiểm nếu giả định rằng capture pad có thể giữ nguyên kích thước trong khi mọi thứ xung quanh nó đều đang thu nhỏ lại.

Tôi từng nghe một nhà thiết kế nói: “Không phải chúng ta siết chặt quy tắc. Chính công nghệ đã làm điều đó.” Khi đó tôi không nghĩ nhiều về câu nói này, nhưng nó đúng. Việc chuyển từ quy trình subtractive sang quy trình additive để đạt được các kích thước đặc tính ultra HDI đang làm thay đổi quy trình chế tạo, đưa vào các vật liệu mới và thu hẹp cửa sổ công nghệ trong toàn bộ quá trình sản xuất.

Thiết kế cho sự dịch chuyển

Một trong những thay đổi khó khăn nhất đối với nhà thiết kế là chấp nhận rằng sự căn chỉnh hoàn hảo trong CAD không còn là mục tiêu nữa. Mục tiêu là sự biến thiên có thể dự đoán được. Vật liệu dịch chuyển. Quy trình biến thiên. Laser tự điều chỉnh. Câu hỏi không còn là liệu đăng ký có dịch chuyển hay không, mà là liệu thiết kế có đủ dư địa để chịu được sự dịch chuyển đó hay không.

Điều này đòi hỏi một tư duy khác trong quá trình layout và rà soát. Thay vì hỏi: “Cái này có đáp ứng quy tắc không?”, một câu hỏi hữu ích hơn sẽ là: “Nếu nó dịch chuyển thì chuyện gì xảy ra?” Sự thay đổi đó làm thay đổi cách nhà thiết kế tiếp cận các vùng quan trọng. Nó khuyến khích dùng các quy tắc phân biệt theo khu vực thay vì quy tắc toàn cục. Nó cũng thúc đẩy các cuộc trao đổi với nhà chế tạo sớm hơn, không phải để xin phê duyệt, mà để có thêm bối cảnh.

Một quy trình rà soát thiết kế Ultra HDI tốt hơn

Rà soát thiết kế cho Ultra HDI vẫn bao gồm stackup, via và vật liệu. Nhưng với Ultra HDI, những buổi rà soát hiệu quả nhất còn bao gồm các câu hỏi như:

• Chúng ta đã hoặc có thể chủ động thêm biên độ an toàn ở đâu, ngay cả khi không bắt buộc?
• Những cấu trúc nào có nguy cơ lệch căn chỉnh cao nhất?
• Chúng ta có đang đưa ra giả định về sự dịch chuyển giữa các lớp không? Hay đã xác nhận điều đó?
• Nếu có thứ gì đó bị dịch chuyển, tác động sẽ xuất hiện đầu tiên ở đâu?

Những câu hỏi này hiệu quả nhất khi được đặt ra sớm trong quá trình thiết kế và có sự phối hợp với nhà chế tạo của bạn. Tôi không thể nhấn mạnh đủ tầm quan trọng của sự cộng tác đó. Các nhà chế tạo cũng đang học hỏi những điều chỉnh quy trình cần thiết và các thực hành thiết kế tốt nhất. Hãy tận dụng chuyên môn của họ.

Những điều chỉnh nhỏ tạo nên khác biệt lớn

Những tinh chỉnh nhỏ trong thiết kế Ultra HDI có thể tạo ra tác động lớn đến yield. Tăng nhẹ khoảng hở ở những khu vực nhạy cảm nhất với đăng ký. Dùng capture pad lớn nhất có thể ở những nơi cấu trúc xếp chồng yêu cầu. Đánh dấu rõ ràng các vùng rủi ro cao trong ghi chú chế tạo để tránh bị hiểu sai. Không có gì quá kịch tính trong danh sách này, nhưng chúng có thể tạo ra ảnh hưởng lớn đến khả năng sản xuất.

Các vấn đề đăng ký chỉ vừa đủ đạt khi build có thể gây ra sự cố theo thời gian. Căn chỉnh ở mức biên có thể làm tăng tốc độ mỏi, tập trung ứng suất và làm giảm độ tin cậy dài hạn, đặc biệt trong các cấu trúc liên kết mật độ cao, và đây là điều cần được cân nhắc.

Dung sai đăng ký không còn chỉ là thách thức của riêng khâu chế tạo. Giờ đây, nó cũng phải là một phần của cuộc trao đổi về thiết kế, bên cạnh tính toàn vẹn tín hiệu, cấp nguồn và lựa chọn vật liệu.

Dù bạn cần chế tạo thiết bị điện tử công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, Altium Develop kết nối mọi chuyên ngành thành một lực lượng cộng tác thống nhất. Không còn các silo. Không còn giới hạn. Đây là nơi các kỹ sư, nhà thiết kế và nhà đổi mới cùng làm việc như một thể thống nhất để đồng sáng tạo mà không bị ràng buộc. Hãy trải nghiệm Altium Develop ngay hôm nay!