【学术论文】通过仿真软件提高图形电镀铜层分布的均匀性

Improving Copper Distribution in Pattern Plating Using Simulation Software


在PCB生产过程中,DFM(可制造性设计)过程中会针对铜均匀性和多层铜沉积之间的均匀性与对称性提出一系列的质量指标,但一般来说,这些指标主要是针对于多层线路板的内层的质量要求,主要是避免在叠板和焊接等后续工序中由于受热和受压形成的应力不均匀而引起的变形或开裂等不良现象。

那么如果外层是通过图形电镀方式加工的,尤其是当层间导电孔和通孔电镀后的孔直径非常重要的时候,该如何进行外层图形电镀的可制造性设计?PCB设计工程师对图形电镀的原理和机理是否熟知?例如,如图1所示,线路分布稀疏的区域,铜层的沉积会大于理论沉淀的铜层厚度。


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1:Panel排版设计从PCB设计阶段就开始



如果是多个花纹的拼板的电镀呢?通常是分两种方法,一个是在单个Panel上同时设计多种不同花纹,另外的是为了节约设计成本,只是简单的将单个图案花纹的简单重复,从而设计多个Panel。

从PCB生产制造部门的角度来看,正常情况下不允许在非功能区域中加入辅助铜(balancing copper),除非在设计签字之前与设计师协商并得到正式批准。

而在Panel布局设计过程中,适当的在边界区域和每个单板(Board)之间的空隙处添加辅助铜线,即所谓的“电流窃取”可以有效的通过屏蔽掉部分电镀电流密度,从而达到提高电镀铜层均匀性的目的,这个方法通常是由设计部门为了提高某些特定质量特征时会采取这个方法。

从生产的角度来看,如果一个Panel上只有一个单板(Board)且具有铜分布的疏密是不均匀的,或者如果面板中包含两个或多个不同花纹单板,那么调整它们的相对位置和方向可以改善电镀镀层的均匀性。但是从某种意义上说,在面板上放置更少的图像,在它们之间留出更多的空间,相互之间形成“电流窃取”,相反的可能产量会更大。

那如何能够满足产能与镀层均匀性的平衡点,设计部门要怎么操作呢?一般情况下,具有一定电镀或加工经验的设计人员,通过一些CAM(计算机辅助生产设计)软件,经过反复的“猜测—实验—验证—优化”,从而得到能够获得过程工程师的认可的,满足质量接受标准或者最低质量风险的一个方案。但是如果设计工程师可以借助某个软件,获得一个具有一致性和可重复再现的设计方案,而不是通过反复的“猜测”和实验,那将会大大提高设计的效率。

本人有机会参加了由Elsyca公司表面处理业务部门经理Robrecht Belis主持的网络研讨会。Elsyca公司是一家来自比利时的,专业从事电化学过程仿真的公司。他演示了一款电镀仿真软件,该软件旨在帮助PCB设计工程师和试生产相关工程师识别电镀不良区域、优化面板布局、并将自动智能添加辅助铜线作为CAM过程的一部分,为PCB生产提供了正向设计的解决方案。(参考图2)


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2:该软件旨在帮助PCB设计工程师识别电镀问题区域专门设计


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3: Copper Balance


通过一台普通的笔记本电脑式的移动工作站,Belis就完成这款软件的运行。在演示过程中,Belis先生首先分别导入了Panel前后不同面(Side)对应的花纹图案(Gerber)文件,然后定义了镀层膜厚的上下限。软件自动预测了镀层膜厚的分布。通过云图的形式,以不同的颜色标记了不同的膜厚分布;从而一目了然的显示出了膜厚的合格区域和不合格区域。软件可以利用镜像对称的形式同时查看Panel两个面(Side)的膜厚分布,还可以有选择性的查看许多其他的分析和统计结果,比如CpK,方差等等。另外,该软件可以根据使用者生产实际的镀液和镀槽的特性,嵌入定制化的建立镀槽模型。

Belis先生指出,CAM工程师关心的是电镀电流和电镀时间。对于电镀生产线的工艺工程师而言,可以通过控制更多的参数,如辅助工具、Panel在飞把(Flight Bar)上的数量和位置等来控制镀层均匀性。但除了这些参数外,镀层的均匀性还取决于如何布置面板上各个单板(Board)的花纹的排布,这些都可以通过仿真软件进行预测和自动推荐。在屏幕上,任何位置的镀铜厚度都可以通过简单地将鼠标移向它来显示。

实际中是否有改善铜厚度分布的必要性?答案是肯定的。要怎么做到的呢?其实可以通过优化面板布局来提高分布均匀性。通过仿真软件可以完成这个目的。在排版设计过程中,任何的优化改进,都可以通过仿真软件进行快速评估。通过仿真软件可以多次迭代优化合理的排板方案,直至得到最优化的排板方案。

或者从某种意义上说,CAM工程师,根据实际要求,设定膜厚分布均匀性要求和允许添加辅助铜的区域或者与功能线路之间的最小间隙等等限制条件,利用仿真软件的自动辅助铜优化设计的这一功能,可以和设计工程师协同完成PCB设计的提升与优化。

Belis演示了通过使用仿真软件添加辅助铜所能实现的优化,并强调了该软件可以有选择性地只在有需要的地方添加辅助铜,具有很实际的意义。同时,软件支持将得到的数据或者优化方案,打包输出成生产或者CAM所需要的数据格式。

这的确是一个令人印象深刻的展示!我作为一名PCB制造车间技术经理,我很高兴能有机会接触和使用这样的技术。我作为一名表面处理领域的从业者,我其实并不同意Belis的说法,虽然他声称他的模拟软件可以“让每个CAM工程师都成为电镀专家”,但是他没有提到药水桶或高筒雨靴。

                                                                                                                                               

                                                                                                                                  ——本文由Pete Starkey发表于《PCB007》,2020,Apr.


注:

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