Металлизация переходных отверстий в печатных платах ( часть 1, приготовление активатора)

Давайте поговорим про проектирование переходных отверстий — для серьёзной электроники их качество очень важно. В начале статьи я осветил факторы, влияющие на целостность сигнала, а потом показал примеры расчёта и тюнинга импеданса одиночных и дифференциальных переходных отверстий.

Всем привет, меня зовут Вячеслав. Я занимаюсь разработкой печатных плат 5 лет, и за это время не только прочитал множество правил и рекомендаций по трассировке, но и находил первоисточники и работал с ними.

В сложных вычислительных системах, которые разрабатывает компания YADRO, высокоскоростные сигналы на пути от передатчика к приёмнику преодолевают значительные расстояния, проходя сквозь несколько плат и делая десяток межслойных переходов. В таких условиях, каждое небрежно спроектированное переходное отверстие будет вносить свой небольшой вклад в ухудшение сигнала, и в результате интерфейс может не заработать.

Целостность сигнала

Переходные отверстия (далее п/о, англ. via) представляют собой неоднородности в линии передачи. Как и другие неоднородности, они портят сигнал. Этот эффект слабо выражен на низких частотах, однако с увеличением частоты значительно возрастает. Часто разработчики уделяют незаслуженно мало внимания структуре переходных отверстий: они могут быть скопированы из «соседнего» проекта, взяты из даташита или вообще не заданы в САПР (настройка по умолчанию).
Перед тем как использовать рассчитанную структуру, необходимо понять, почему её сделали именно такой? Слепое повторение может только навредить.

На целостность сигнала в канале при прохождении через переходные отверстия главным образом влияют следующие факторы:

• отражения сигнала из-за изменения волнового сопротивления;
• деградация сигнала вследствие паразитной ёмкости и индуктивности;
• отражения от неиспользуемого отрезка п/о при переходе на внутренний слой (далее стаб от англ. via stub);
• перекрёстные помехи (англ. Cross talks);
• помехи в шинах питания.

Рассмотрим подробнее причины этих эффектов и методы их устранения.

Способы изготовления печатных плат

Чтобы получить достойную по качеству металлизацию отверстий печатной платы, необходима ванна для гальваники. Что это такое и зачем нужна ванна для гальваники, будет рассказано далее в статье сайта .

Ванна для гальваники представляет собой пластиковый контейнер с медным прутком в качестве анода внутри. Для этого пруток изгибается по форме ванны и вставляется в пазы контейнера.

Затем по бокам ванны необходимо сделать две анодные рамки. Они также изготавливаются из медных прутков с загибами на концах. При помощи загибов прутки так и цепляются к стенкам контейнера.

Металлизация печатных плат

Основную сложность при изготовлении печатных плат вызывает металлизация отверстий при помощи химической и гальванической меди. Для этого сначала в плате сверлятся отверстия, после чего плата обезжиривается с применением растворителя.

После обязательной промывки необходимо сделать микротравление платы, которое осуществляется в персульфате аммония. Далее следует повторная промывка печатной платы.

Фактор 1. Волновое сопротивление п/о

В идеально спроектированной плате волновое сопротивление не меняется на всем протяжении трассы, в том числе и при переходе на другой слой. В реальности это обычно выглядит примерно так:

Рисунок 1. Изменение волнового сопротивления при переходе на другой слой.

Чем лучше согласованы волновые сопротивления, тем меньше будет отражение сигнала. Как же повлиять на это?

Рассмотрим структуру п/о на плате [1].

Рисунок 2. Структура п/о на плате.

Изменяя элементы п/о, мы изменяем волновое сопротивление перехода. Наша цель – согласовать импеданс переходной структуры с импедансом проводников для минимизации отражений. Рассмотрим, как изменится импеданс при изменении элементов структуры п/о.

Графитирование

Еще один несложный в исполнении способ металлизации. Отличие в том, что для первичной обработки отверстий вместо серебрения делается графитирование. Чаще всего любители используют магазинный аэрозоль CRAMOLIN «GRAPHITE». Откладывающиеся на поверхности мелкодисперсионные фракции графита достаточно вдавить в подготовленные отверстия. Это несложно сделать небольшим шпателем, скребком. Как их изготовить своими руками, пояснять не нужно.

Для удаления излишков, пока паста еще влажная, плата встряхивается. Фракции, налипшие на ее поверхность, смываются растворителем или убираются мелкой (шлифовочной) наждачкой. Остается лишь тонкой иглой прочистить отверстие.

В результате в нем получается тончайший токопроводящий слой. Такой способ удаления пасты имеет минус – не все фракции выводятся из отверстия, что уменьшает его диаметр. Более качественный результат достигается методом продувки. В домашних условиях можно задействовать пылесос.

Описанные способы металлизации отверстий – не единственные. Но именно их в свое время апробировал автор, и они доказали свою эффективность и удобство в реализации.

Фактор 2. Паразитная индуктивность и ёмкость

Проводники на печатной плате можно изготовить с волновым сопротивлением, лежащим в широком диапазоне, однако чаще всего это 50 Ом. С одной стороны, это связано с исторической преемственностью: импеданс 50 Ом был стандартизирован для коаксиальных кабелей как компромисс между уровнем нагрузки драйвера и потерей энергии сигнала. С другой стороны, 50-Омный проводник легко изготовить на типовой плате.
Для разработчика важным является не столько конкретное значение волнового сопротивления, сколько его постоянство на всём протяжении линии передачи.

Для того, чтобы сделать линию передачи с фиксированным значением волнового сопротивления, разработчик подбирает ширину дорожки и расстояние до опорного слоя, т.е. меняет погонную ёмкость и индуктивность линии передачи до определённой

величины.

В п/о индуктивная составляющая довольно значима. В первом приближении, мы должны, в рамках разумного, максимально снизить паразитную индуктивность, а затем менять параметры п/о для достижения заданной

емкости, и соответственно импеданса.

Чрезмерное уменьшение ёмкости п/о будет причиной локального повышения импеданса и, как следствие, отражений сигнала.

Технология ручного способа нанесения дорожек печатной платы

Подготовка шаблона

Бумага, на которой рисуется разводка печатной платы обычно тонкая и для более точного сверления отверстий, особенно в случае использования ручной самодельной дрели, чтобы сверло не вело в сторону, требуется сделать ее более плотной. Для этого нужно приклеить рисунок печатной платы на более плотную бумагу или тонкий плотный картон с помощью любого клея, например ПВА или Момент.

Далее плотная бумага вырезается по контуру приклеенного рисунка и шаблон для сверления готов.

Вырезание заготовки

Подбирается заготовка фольгированного стеклотекстолита подходящего размера, шаблон печатной платы прикладывается к заготовке и обрисовывается по периметру маркером, мягким простым карандашом или нанесением риски острым предметом.

Далее стеклотекстолит режется по нанесенным линиям с помощью ножниц по металлу или выпиливается ножовкой по металлу. Ножницами отрезать быстрее, и нет пыли. Но надо учесть, что при резке ножницами стеклотекстолит сильно изгибается, что несколько ухудшает прочность приклейки медной фольги и если потребуется перепайка элементов, то дорожки могут отслоиться. Поэтому если плата большая и с очень тонкими дорожками, то лучше отрезать с помощью ножовки по металлу.

Приклеивается шаблон рисунка печатной платы на вырезанную заготовку с помощью клея Момент, четыре капли которого наносятся по углам заготовки.

Так как клей схватывается всего за несколько минут, то сразу можно приступать к сверлению отверстий под радиодетали.

Фактор 3. Via stub

Что происходит, когда сигнал проходит через переходное отверстие со стабом?

Рисунок 3. Переходное отверстие со стабом, резонанс на ¼ длины волны.

В нашем примере сигнал распространяется сверху вниз со слоя Top. Дойдя до внутреннего сигнального слоя, сигнал разделяется: часть движется вдоль трассы на внутреннем слое, а часть продолжает движение вниз по переходному отверстию, затем отражается от слоя Bottom. После того, как отражённый сигнал достиг внутреннего слоя, он снова разделяется, часть движется вдоль трассы, а часть возвращается к источнику.

Отражённый сигнал будет суммироваться с исходным и искажать его, что будет выражаться в сужении окна на глазковой диаграмме, и увеличении уровня вносимой потери (англ. Insertion Loss).

В худшем случае, отрезок TD окажется равным ¼ длины волны сигнала, тогда отражённый сигнал достигнет трассы на внутреннем слое с задержкой в половину периода, наложившись на исходный сигнал в противофазе.

При анализе целостности рекомендуется рассматривать полосу пропускания шириной 5 частот Найквиста. Хорошим приближением будет считать приемлемым стаб, дающий резонанс на 7 гармонике и выше [2].

Рисунок 4. График уровня вносимых потерь для п/о со стабами 0, 0.65, 1.2 мм.

На рисунке 4 изображён огромный резонанс на частотах около 24 ГГц. Мы можем сделать вывод, что, если наш сигнал работает на частоте 2–3 ГГц, мы можем себе позволить не устранять стаб, поскольку в пределах 7 гармоник «всё спокойно».

Произвести быструю оценку критичности стаба можно в калькуляторе Polar: Рисунок 5. Изображение с сайта polarinstruments.com. Длина стаба 2.5 мм допустима для сигналов с временем нарастания более 500 пс.

Чуть более точный результат дают формулы, приведённые в статье [2]. Они учитывают геометрию п/о и позволяют рассчитать поправку для диэлектрической проницаемости диэлектрика по оси Z.

Устранить стаб можно с помощью операции «обратное высверливание» (англ. Backdrilling), либо используя микропереходы (англ. blind and buried vias). Выбор зависит от особенностей проекта. Обратное высверливание проще и дешевле. После изготовления платы, сверлом большего диаметра стаб высверливается на заданную глубину. От разработчика требуется задать дополнительные отступы топологии в зоне высверливания, а также доступно для производителя указать требования по высверливанию в конструкторской документации. Современные САПР поддерживают данный функционал.

Микропереходы в первую очередь предназначены для плат высокой плотности (англ. HDI), однако в некоторых случаях их можно использовать, нивелировав дороговизну отказом от обратного высверливания и снижением количества слоёв на плате. При разработке плат HDI следует помнить некоторые особенности:

• каждый новый тип п/о увеличивает стоимость платы;
• для лазерного сверления используются специальные оптимизированные препреги, свойства которых могут отличаться;
• металлизация глухих отверстий увеличивает толщину меди на внутренних слоях.

Крайне рекомендуется заранее согласовать структуру платы с изготовителем.

Металлизация переходных отверстий в печатных платах ( часть 1, приготовление активатора)

• Отзывы о магазине (151)

Давно собирался описать процесс металлизации в подробностях, но все никак не мог завершить эксперименты с разными добавками в активатор (и их количеством), вылизывал все технологические шаги. Ну и какое-то время просто не мог окончательно определиться с тем, какой вариант описывать. После некоторых колебаний решил все-таки описывать вариант с добавкой жидкого мыла. Выбор на этот вариант пал по двум причинам: реактивы доступнее и после термолиза заготовка отмывается гораздо легче. Второй пункт особенно важен в этой технологии, поскольку городить вторую гальванику как-то не улыбалось (хотя «на коленке» я этот вариант отмывания продуктов пиролиза и попробовал). Из минусов — необходимость делать активацию быстро, но тут сложно сказать, минус это или плюс. Итак. Небольшой экскурс в теорию, историю и воздание должного людям, которые сделали этот метод доступным для любителей. В основе этого метода лежит способность некоторых соединений меди разлагаться под действием тепла с выделением металлической меди. Этот метод появился в результате работ над беспалладиевыми технологиями металлизации начатых еще во времена бывшего СССР. После развала СССР работа не была остановлена и в начале 90-х группа химиков из Новосибирского Института химии твердого тела и механохимии возглавляемая Олегом Ивановичем Ломовским получила последний патент на эту технологию. Собственно говоря, тот метод, описание которого приведено ниже, это только адаптация технологии описанной в патенте.
Еще один человек, которому надо воздать должное — пользователь JIN с форума vrtp.ru. Именно он сделал доступным для широких масс чайников в химии, вроде меня, доступный способ получения базового раствора для активатора. Ну а теперь, когда все нужные реверансы сделаны, перейду к, собственно, технологии. ВНИМАНИЕ! ВСЕ РАБОТЫ ПО ПРИГОТОВЛЕНИЮ РАСТВОРА И ОБРАБОТКЕ ПЛАТЫ ВЫПОЛНЯЮТСЯ В ПЕРЧАТКАХ! В процессе обработки в активаторе поверхности платы касаться категорически не рекомендуется, даже если руки в перчатках. Это уже забота о результате, а не о руках. В составе активатора нет сильно ядовитых веществ, но, все же, он содержит соединения меди, большинство из которых, как минимум, не полезны для здоровья. Аммиак тоже на пользу здоровью не пойдет, так что активатор следует хранить в закрытой посуде, в месте недоступном для детей и домашних животных. Для работы понадобятся следующие реактивы и приборы: Реактивы: 1. Сульфат меди (ІІ) (он же медный купорос)
Нужен именно реактив, Ч (чистый) или ЧДА (чистый для анализа)
. Можно, конечно и ХЧ (химически чистый) или ОСЧ (особо чистый), но мне такой не попадался.
Купорос, который продается в магазинах сад-огород может содержать неизвестное количество примесей.
2.
Фосфорноватистокислый кальций (он же гипофосфит кальция, он же фосфинат кальция).Тоже Ч или ЧДА
(и, конечно же, ХЧ или ОСЧ). 3. Дистиллированная вода. Вполне подойдет та, что продается в автомагазинах. 4. Аммиачная вода 25% (она же нашатырный спирт, она же гидрат аммиака, она же гидроксид аммония). Аптечный нашатырный спирт тоже подойдет, но его придется лить больше и скорректировать количество воды (сколько именно — я не считал, но, полагаю, с этой задачей из школьного курса химии справятся все). 5. Жидкое мыло. Подойдет любое, но по возможности стоит брать то, в котором поменьше всяких добавок (оно, обычно, еще и дешевле). Так же стоит отдавать предпочтение мылу с нейтральным pH, такое мыло, обычно усиленно подчеркивает этот факт на упаковке.
Инструменты и материалы: 1. Бытовые весы с разрешением хотя бы в 1 грамм (точнее, на самом деле и не нужно). 2. Две емкости в которых готовится раствор, стеклянные или пластиковые. Емкость первой где-то от литра и больше. Емкость второй — около полулитра. 3. Пластиковый судок с плотно закрывающейся крышкой. Это будет рабочая емкость в которой активатор хранится и в которой же обрабатываются платы. 4. Большая воронка для переливания жидкости, лучше пластиковая. 5. Несколько влажных салфеток для рук (если есть старые высохшие — это даже лучше). Крайне желательно подобрать такие, которые без каких-либо добавок. Салфетки перед использованием надо положить в теплое место и просушить. Эти салфетки будут использоваться для фильтрации. Поскольку осадка много, обычные бумажные салфетки не выдерживают. К тому же они впитывают слишком много жидкости и таким образом влияют на состав, что не желательно. 6. Большой шприц на 20 или (лучше) на 60мл. ВНИМАНИЕ! Заключительные этапы приготовления раствора (начиная с шага 7) лучше проводить на открытом воздухе или под вытяжкой. Все-таки, аммиак изрядно вонюч. Приготовленный раствор воняет значительно меньше и им вполне можно пользоваться в помещении. Раствор готовится так: (Для тех, кто смотрел другие рецепты, уточню, что рецепт «удвоенный» по количеству компонентов, «одинарного» маловато для удобной работы.) 1. Наливаем 140мл дистиллированой воды в первую емкость:

Для ускорения следующего шага воду желательно подогреть в микроволновке градусов до 35-40. 2. Насыпаем 30 грамм купороса:

Затем тщательно перемешиваем до полного растворения в воде. Когда весь купорос растворится, получаем вот такую жидкость голубого цвета:

3. Насыпаем 22 грамма гипофосфита кальция:

И мешаем получившуюся смесь несколько минут. Раствор быстро становится белесым, это выделяется сульфат кальция (гипс), который не растворим в воде:

4. Во вторую емкость ставим воронку, в воронку кладем салфетки:

5. Акуратно сливаем жидкость из первой емкости в воронку. При этом нужно периодически взбалтывать осадок, что бы он не остался в первой емкости. Когда фильтрация закончена получаем вот такую картину:

6. Через осадок проливаем 100 мл воды. При этом осадок становится немного белее. Дожидаемся пока вся жидкость стечет, снимаем лейку и получаем раствор гипофосфита меди в воде:

7. Добавляем с помощью шприца 40мл аммиачной воды в раствор. Если шприц большой, то это можно сделать за один раз, с 20-кой прийдется сделать два захода. Выдавливать аммиачную воду в раствор удобнее всего опустив кончик шприца прямо в раствор, это позволяет избежать разбрызгивания. Если нужно делать два захода, то между заходами кончик шприца следует ополоснуть в дистиллированой воде. Раствор мгновенно густеет и в нем появляются белые хлопья:

Медленно помешиваем раствор до полного исчезновения хлопьев и превращения раствора в однородную жидкость темно-синего цвета:

Этот раствор уже воняет значительно меньше и продолжить процесс можно в помещении, при необходимости. 8. Добавляем в раствор 5-6 мл жидкого мыла:

9. Добавляем в раствор 8-10 грамм гипофосфита кальция:

Еще раз тщательно перемешиваем. Гипофосфит не растворяется полностью, но нерастворившийся осадок тоже нужен, он будет поддерживать концентрацию ионов гипофосфита в растворе по мере использования. Продолжая помешивать переливаем раствор в рабочую емкость. При этом нужно следить, что бы осадок полностью перелился вместе с остальным раствором. Активатор готов. Активатор стабилен и может храниться долгое время. В процессе использования нужно следить за тем, что бы на дне все время был осадок гипофосфита кальция и при необходимости досыпать пару грамм. Если этого не делать, могут появляться неметаллизированные отверстия. ЧитатьЧасть 2 ( гальваника)
Автор Sergiy Yevtushenko

Оригинал статьи на сайте https://we.easyelectronics.ru

Фактор 4. Перекрёстные помехи

Перекрёстные помехи – нежелательная передача сигнала из одной линии в соседнюю. Эта передача происходит, потому что два близко расположенных проводника имеют ёмкостную и индуктивную связь.
Характер перекрёстных помех сигнальных проводников и п/о немного отличается. В п/о у сигнала нет опорного слоя, возвратные токи текут по соседним п/о, образуя большую петлю. Перекрёстные помехи сигналов в п/о обусловлены индуктивной составляющей.

Наибольшего эффекта по минимизации перекрёстных помех можно достичь, увеличив расстояние между п/о. Однако часто тополог не располагает большим пространством.

Сближение п/о в дифференциальной паре не только уменьшает занимаемую площадь, но и положительно сказывается на помехоустойчивости [3].

Общепринятый способ по минимизации перекрёстных помех между соседними сигнальными п/о — поместить экранирующее п/о между ними. При таком способе потребуется вести сигналы с шагом около 2 мм (Рисунок 6). Если места недостаточно, можно использовать меньший шаг со сдвигом (англ. Staggered pattern), как на рисунке 7. С помощью моделирования можно подобрать идеальный угол сдвига [4].

Рисунок 6. Минимизация перекрёстных помех с помощью экранирующего п/о.

Рисунок 7. Минимизацию перекрёстных помех с помощью диагонального «шахматного» сдвига.

Перекрёстные помехи можно также снизить экзотическими методами, например, длинным стабом (за счёт смещения индуктивно-ёмкостного баланса п/о) [5]. Также помехи можно уменьшить на стадии проектирования корпуса микросхемы [6].

Что надо знать разработчику печатных плат: металлизация и финишные покрытия

Мы уже рассмотрели [1] одну из наиболее крупных составляющих производственных затрат, управление которой в значительной мере зависит от разработчика, — базовый материал платы. Взглянув на диаграмму удельной стоимости этапов производства (рис.1), которая уже приводилась в статье [1], мы увидим, что вторая позиция, также вносящая большую долю в себестоимость платы и тоже относящаяся к компетенции разработчика, это процессы металлизации и финишных покрытий.

Рис.1. Распределение затрат при производстве 4слой ной печатной платы [2] Металлизация отверстий — выбор невелик Для двухслойных и многослойных плат обеспечение электрической связи между слоями платы осуществляется при помощи металлизации отверстий. В качестве металла используется медь. Наиболее распространенный процесс — химическое осаждение меди из растворов, содержащих соль двухвалентной меди, восстановитель, комплексообразователь, буферные (регулирующие рН) и другие добавки. После сверления отверстий и их подготовки при помощи катализа торов, очистки, промывки начинается процесс металлизации, занимающий обычно 10 и более часов. Режимы работы оборудования, составы химических реагентов, обеспечивающие необходимое качество и требуемый выход годной продукции, подбираются технологом. Производство жестких печатных плат регламентируется различными рекомендациями и стандартами, в частности, стандартами IPC6012 и IPCTM650. В этих документах подробно расписаны характеристики плат в зависимости от их класса и типа, условия проведения испытаний и проверок. Согласно стандартам IPC, электронные блоки по уровню надежности делятся на три класса:

• класс 1, «основной», когда внешний вид не является приоритетом, а выход блока из строя не является критичным для функционирования системы;
• класс 2, «специальный», когда во внешнем виде допускаются некоторые дефекты, а выход из строя нежелателен, но не критичен;
• класс 3, «высокой надежности», когда внешние дефекты неприемлемы, выход из строя является неприемлемым.

Требования, предъявляемые к изделиям 1 класса надежности, самые мягкие, 3 класса — наиболее жесткие. Стандарт IPC6012 регламентирует среднее и минимальное значения толщины слоя металла на стенке отверстия; установленные им значения приведены в табл.1.

Таблица 1. Толщина меди на стенках металлизированного отверстия для разных классов надежности изделия [3] Как видим, в таблице определены два значения толщины металлизации: номинальное и минимальное. Это необходимо потому, что при самых лучших реактивах и самой тщательной настройке процесса осаждения абсолютная равномерность толщины металла недостижима.

Рис.2. Металлизированное отверстие на чертеже (а) и в реальности (б) На рис.2а представлено изображение ожидаемого профиля медной стенки на срезе отверстия, а на рис.2б — реальный вид отверстия на срезе тест-купона. Тест-купон представляет собой специально выделяемую зону технологической заготовки — панели из нескольких будущих плат, иногда — из нескольких типов плат. В этой зоне высверлены отверстия, по диаметру совпадающие с отверстиями в платах. Отверстия проходят процесс металлизации вместе со всей заготовкой, и затем на них проводится контроль металлизации (рис.3), результаты которого попадают в отчет.

Рис.3. В таком виде заказчику предоставляется тестовый купон, если он требует этого для подтверждения результатов контроля. Срез купона по линии диаметров отверстий залит в цилиндр из прозрачного пластика. В стандартах IPC содержатся рекомендации по тест купонам для разных этапов производства, но точную их конфигурацию каждое производство определяет для себя самостоятельно. На рис.4 представлена часть отчета с производства с указанием точек, для которых проводится контроль толщины металлизации на срезе тест-купона; точки обозначены буквами A-F для сквозных отверстий и A-C — для слепых.

Рис.4. Фрагмент отчета, выпускаемого по результатам контроля металлизации отверстий. Заголовки таблицы даны в переводе автора, размеры приведены в микрометрах. Контроль сквозных и слепых отверстий ведется раздельно, на рисунке показана строка результатов контроля сквозного отверстия. Максимальная толщина металла на стенке отверстия не регламентируется, но фиксируется в отчете для последующего вычисления среднего значения толщины металлизации. Итак, назначая класс надежности изделия, разработчик фактически выбирает значение толщины металлизации для контроля в пределах, указанных в стандарте. С точки зрения экономии затрат на данном этапе он должен учитывать, что стоимость производства с повышением класса растет; так, для класса 3 она в среднем в 2,5 раза выше, чем для класса 2. При этом не следует забывать, что производство платы по классу 3 могут реально гарантировать лишь немногие из производителей, основная их масса работает по 1 и 2 классам. Иногда разработчику необходимо увеличить толщину металлизации в некоторых отверстиях — например, по результатам расчета токовой нагрузки. Данная ситуация с точки зрения производства является нестандартной, и согласование таких требований полностью зависит от опыта технолога и его решимости отойти от норм, указанных в стандартах. На стоимости платы это может сказаться кардинально, поэтому в таких случаях лучше применить уже давно известное решение: в цепях, по которым протекают большие токи, проектировать не одно, а несколько отверстий и таким образом приводить токовую нагрузку в расчете на одно отверстие к величине, позволяющей оставаться в пределах стандартизированной толщины металлизации. Финишные покрытия: разнообразие, преимущества, проблемы В отличие от металлизации отверстий, для принятия решения по которой у разработчика почти нет альтернативы, выбор финишного покрытия платы заметно шире. Напомним, что основное назначение финишного покрытия состоит в защите контактных площадок от окисления меди при большом временнoм промежутке между изготовлением платы и монтажом элементов, то есть в обеспечении их сохранности для процесса пайки. Рассмотрим самые популярные финишные покрытия. HASL (Hot Air Solder Leveling) — погружение в при пой с выравниванием горячим воздухом. Плату с подготовленными площадками, покрытую флюсом, окунают в ванну с расплавленным припоем, после чего охлаждают и очищают. Состав припоя — 62-63% олова и 36-37% свинца, иногда присутствует 1-2% серебра (без учета примесей других металлов). Припой покрывает площадки, излишки же сдуваются потоком воздуха — «воздушным ножом». Толщина покрытия обычно лежит в пределах 5-20 мкм. Поверхность площадок с таким покрытием имеет хорошую смачиваемость, паяное соединение компонентов — отличные показатели по прочности; возможен неоднократный ремонт (перепайкой компонентов), плата сохраняет паяемость достаточно долго. Недостатки технологии хорошо известны. Прежде всего это невозможность ее применения для плат, на которые устанавливаются компоненты с мелким шагом — минимальная величина зазора для них составляет порядка 0,15 мм. Причин две: риск замыкания между площадками и неудовлетворительная плоскостность последних. Далее, в HASL процессе платы подвергаются высокотемпературному удару, из-за чего такое покрытие не рекомендовано для тонких плат (толщиной меньше 0,6 мм). Также HASL не рекомендован при производстве плат на основе керамики или тефлона ввиду высокого риска повреждения материала. Альтернативный вариант технологии HASL — облуживание бессвинцовым припоем (lead free HASL, Lf HASL). Бессвинцовый припой содержит порядка 97-99% олова, в качестве небольших добавок присутствуют медь, серебро, иногда германий, никель. Такой состав требует еще более высокой температуры расплава, соответственно, платы подвергаются еще более сильному тепловому удару. Поэтому данное покрытие при меняют для плат, изготовленных из высокотемпературных материалов. Достоинства и недостатки аналогичны использованию покрытия HASL. По стоимости различия между стандартным и бессвинцовым оплавлением практически нет. Органическое защитное покрытие (Organic Solderability Preservative — OSP) является одним из недорогих и простых способов защитного покрытия с хорошим уровнем паяемости. Покрытие наносится в виде пленки на всю поверхность платы. Плату после очистки и микротравления окунают в ванну с раствором на основе бензотриазола или фенилимидазола. В заключение следует полоскание и сушка плат, весь процесс обычно занимает около 15 мин. Достоинство OSP состоит в том, что при монтаже вывод компонента паяется непосредственно к меди. В результате мы имеем покрытие, процесс нанесения которого относительно прост и дешев, а площадки имеют отличные показатели по плоскостности и неплохую паяемость. В качестве недостатков следует упомянуть неравномерность покрытия контактных площадок на разных участках платы из-за ее неидеальной плоскостности. Там, где слой покрытия будет тонок, возникает риск окисления меди; там, где слой избыточно толст, можно ждать проблем со смачиваемостью при пайке. OSP малопригодно к ремонту, а при электроконтроле щупы тестера разрушает его в точках касания. Срок жизни покрытия короткий, дли тельное хранение невозможно.

Следующая группа — иммерсионные покрытия. В процессе нанесения таких покрытий платы, перемещаясь по технологической линии, проходят несколько этапов погружения в ванны с различными растворами. Реакция замещения одного металла другим останавливается, как только на поверхности образуется пленка, препятствующая обмену. Поэтому толщина такого покрытия не может быть большой. Платы в этом процессе не подвергаются температурному удару, имеют хороший уровень паяемости.

Первый вариант — иммерсионное золото по под слою никеля (Electroless Nickel / Immersion Gold — ENIG). Золото предотвращает окисление никеля и обеспечивает превосходную паяемость, а никель служит барьером между медью и слоем золота, предотвращая их взаимную диффузию. Технология имеет преимущество в виде плоских площадок для компонентов с мелким шагом, обеспечивает значительный срок хранения.

Но процесс производства сложен, требуется несколько этапов очистки, активатор на основе палладия; суммарное время нанесения покрытия — порядка одного часа. Все это обусловливает высокую стоимость ENIG. Тем не менее, сегодня его могут выполнять большинство производителей в Азии, Европе и Америке.

Для ENIG в литературе описана проблема «черной площадки», когда паяные соединения имеют недостаточную прочность из-за плохого контроля при нанесении никеля, который подвергся коррозии. Такие площадки после демонтажа элементов имели крайне низкий уровень паяемости, что ухудшало качество пайки компонентов, вплоть до невозможности монтажа. Однако производители смогли найти нужные составы растворов и детально отработать технологию процесса, так что в настоящее время неприятность такого рода встречается довольно редко. На рис.5а, 5б, 5в представлено схематическое изображение этапов нанесения покрытий.

Рис.5. Этапы нанесения покрытий [4]: а — HASL, б — OSP, в — ENIG. Последовательность процесса — сверху вниз

Можно убедиться, что нанесение иммерсионного золота — действительно достаточно сложный процесс.

Иммерсионное олово (Immersion Tin — ImmSn) и иммерсионное серебро (Immersion Ag — ImmAg). Эти покрытия можно рассматривать как альтернативу ENIG. Их технология не включает создание барьера из никеля, что упрощает процесс создания покрытий, сокращая время нанесения примерно до 30 мин и уменьшая стоимость процесса по сравнению с ENIG. При монтаже получается надежное паянное соединение. Однако при всех своих достоинствах покрытия довольно капризны: для олова потенциальной проблемой является рост «усов», что порождает риск выхода блока из строя вследствие замыкания цепей, серебро же активно впитывает серу из окружающей среды и быстро становится непригодным для пайки компонентов. Условия хранения и транспортировки плат с такими покрытиями усложнены и требуют дополни тельного контроля, срок хранения меньше, чем плат с оплавлением припоем. К тому же не каждый производитель имеет на производстве отдельную линию для нанесения таких покрытий.

В последние годы все большей популярностью начинает пользоваться покрытие химический никель / химический палладий / иммерсионное золото (Electroless Nickel / Electroless Palladium / Immersion Gold — ENEPIG). Это покрытие можно назвать дальнейшим развитием технологии ENIG путем введения слоя палладия в дополнение к слою никеля. Оно имеет важное преимущество перед другими: на платах с покрытием ENEPIG можно не только паять компоненты по стандартной технологии, но и производить разварку золотой или алюминиевой проволокой. Но и стоимость этого вида покрытия заметно выше по сравнению с другими.

Также следует упомянуть вариант относительно ред кого покрытия — иммерсионное золото по серебру, без применения слоя никеля (Autocatalic Silver Immersion Gold — ASIG). Данная технология, в первую очередь, рассчитана на область СВЧ-устройств. Основные преимущества: меньшие потери при высоких частотах и возможность раз варки золотом. Этот техпроцесс относительно новый, стоимость его выше, чем у других покрытий, поэтому пока он используется немногими производителями.

В заключение следует рассмотреть покрытия, которые не участвуют в процессе пайки, а требуются для других задач. Основное широко известное покрытие такого рода — гальваническое золочение по под слою никеля. Оно требуется, когда медные площадки на плате предназначены не для пайки, а для работы в условиях механической нагрузки. Известный пример — краевой разъем видеокарты, которую вставляют в слот AGP или PCIe в материнской плате. По применяемым материалам техпроцесс похож на процесс нанесения ENIG, а отличие его от иммерсионного золочения в том, что наращивание золота ведется при помощи пропускания тока через покрываемые площадки. Делается это при помощи добавления на заготовке платы технологической шины, соединенной с площадками, которые погружены в раствор, и подключенной к источнику питания. Это позволяет поддерживать процесс до достижения слоем золота толщины до 2 мкм. На финишном этапе при вырезании платы из заготовки площадки разъема отделяются от шины. Получаемое покрытие более долговечно под механической нагрузкой по сравнению с иммерсионным золотом, однако почти непригодно для пайки. Стоимость покрытия напрямую зависит от площади нанесения и толщины золота.

Стандарт IPC6012 рекомендует обеспечивать толщину золота на краевом разъеме порядка 0,75 мкм для 2 класса надежности и 1,27 мкм для 3 класса. По такой же технологии возможно селективное золочение площадок под контакты клавиатуры, а также под разварку выводов компонентов.

Немного статистики

Время от времени проводится оценка популярности покрытий, существуют разные оценки от разных производителей и экспертов; общую картину можно себе представить, например, по рис.6.

Рис.6. Распространенность различных типов защитных покрытий печатных плат с общими объемами выпуска; данные 2011 года [5]

Лидерство пока остается за покрытием OSP, поскольку оно применяется в производстве массовых относительно недорогих устройств: мобильных телефонов, блоков питания для бытовой техники и т. п. — там, где цена играет основную роль, а ремонт устройства нежелателен или маловероятен. Оба варианта HASL, свинцовый и бессвинцовый, также занимают значительную долю рынка, так как их надежность позволяет использовать их в блоках специального назначения — в военной и авиакосмической отраслях, в медицине.

Заслуживает внимания небольшая популярность ENIG по сравнению, например, с иммерсионным серебром. Стоит также отметить, что, если построить такую диаграмму только для плат, спроектированных по 3 классу надежности, то картина может быть другой, поскольку при их изготовлении широко применяются покрытия HASL и ENIG.

***

Какой вывод может сделать разработчик? В целом такой же, какой сделан относительно базового материала печатной платы: необходимо иметь четкое представление о требованиях проекта и выбирать параметры платы в соответствии с ними. Если задача стоит в получении устройства с низ кой ценой, а требования по надежности продукции невысоки, то, в первую очередь, надо присмотреться к недорогим покрытиям, например, OSP, а плату изготавливать по 2 классу. В случае изделий специального назначения, где надежность стоит на первом месте, не следует забывать о старом проверенном оплавлении припоем ПОС61, а когда это невозможно, то обращаться к выбору одной из технологий иммерсионного покрытия.

Литература:

1. Рябушкин В. Что надо знать разработчику печатных плат: выбор базового материала // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 6. С. 182-186.
2. www.goldphoenixpcb.com.
3. IPC6012, www.ipc.org
4. www.linkedin.com/pub/craigmyers/4/6a7/b98.
5. PCB magazine, May 2012; www.magazines007.com.
6. Печатные платы. Справочник. В двух книгах / Под ред. Кумбза К.Ф.; пер. с англ. под ред. д. т.н., проф. А.М.Медведева.

Фактор 5. Помехи в шинах питания

Помимо соседних сигнальных цепей, на качество сигнала могут оказывать помехи из внутренних слоёв.
По полигонам питания могут протекать большие токи. В силу увеличения индуктивности у краев полигонов, протекающие токи формируют краевые поля (англ. Fringing fields) по всем границам полигона, в том числе и в вырезах. Краевые поля являются источником электромагнитного излучения (англ. Edge-fired emission) в пространство. Для снижения эмиссии электромагнитного излучения, применяется правило 20H (Рисунок 8), который заключается в сужении полигона питания по отношению к полигону земли.

Рисунок 8. Краевые поля и правило 20H.

Для защиты п/о от помех, если есть возможность, необходимо увеличивать антипад на полигонах питания. Правило 20H для п/о обеспечить трудно, да и излишне, обычно рекомендуется антипад диаметром около 2 мм (Рисунок 9).

Рисунок 9. Увеличенный антипад на слоях питания

Расчёт импеданса одиночных переходных отверстий

Основываясь на знаниях о влиянии элементов п/о на импеданс, мы можем спроектировать своё идеальное п/о. Отличным стартом будет расчёт импеданса в калькуляторе.
У инженеров, связанных с разработкой печатных плат, популярны такие калькуляторы как Saturn PCB Design Toolkit и Polar Instruments Si9000e. Оба они позволяют быстро рассчитать импеданс одиночного п/о.

Результат полученный в данных калькуляторах сильно отличается друг от друга. Это связано с тем, что у этих инструментов разный подход.

Polar cчитает импеданс в двухмерной плоскости, где п/о пересекает полигон питания. Формулы расчёта не приведено. Опытным путём было установлено, что расчёт производится по формуле импеданса коаксиального кабеля:

Рисунок 10. Изображение с сайта polarinstruments.com

На иллюстрации указано достаточно низкое значение диэлектрической проницаемости Er1, по сравнению со стандартным. Это связано с неоднородностью структуры диэлектрика: он состоит из смолы (Er 3.2) и нитей стекловолокна (Er 6.1), поэтому имеет среднюю диэлектрическую проницаемость около 4.1. Это значение может довольно сильно локально изменяться. Так, вблизи п/о преобладает смола, поэтому значение диэлектрической проницаемости пересчитано в сторону уменьшения [7].

Saturn PCB считает импеданс по формуле:

При изменении длины п/о, значения индуктивности и ёмкости изменяются непропорционально, импеданс изменяется. Импеданс точно такого же п/о длинной 1.6 мм, Saturn PCB рассчитывает, как 128 Ом! (Рисунок 11)

Рисунок 11. Расчёт п/о в программе Saturn PCB Design Toolkit.

Сразу возникает вопрос: кому верить?

Промоделируем в трёхмерном решателе электромагнитных полей (англ 3D Solver), как это будет выглядеть на реальной 8-слойной плате толщиной 1.6 мм (Рисунок 12)

Рисунок 12. Структура перехода между слоями с отверстием для возвратного тока.

В нашем случае импеданс получился около 70 Ом. Приблизив возвратное п/о, можно добиться снижения ещё на 5 Ом. «Поиграв» с размером антипада, можно довольно точно подогнать импеданс к целевому значению (Рисунок 13).

Рисунок 13. Импеданс цепи с п/о на временной диаграмме.

В частотной области «лучшие» параметры выражаются в меньшем значении коэффициента отражения от входа (Рисунок 14).

Рисунок 14. Параметры одиночных п/о в частотной области.

Расчёт Polar оказался ближе к полученному результату. Возможно, для получения адекватного результат в Saturn PCB, требуется ввести поправки. Если у кого-то есть положительный опыт расчёта импеданса в Saturn, поделитесь в комментариях!

Серебрение

Подготовительные мероприятия

Технология основана на том, что под воздействием ультрафиолета нитрат серебра (более известный как ляпис AgNO3) разлагается на компоненты, один из которых – чистый металл.

• Отверстия в плате зачищаются.
• Каждое из них обрабатывается раствором (25±5%) азотнокислого серебра.
• Далее – просушка печатной платы. Чтобы ускорить течение химической реакции, целесообразно для этих целей использовать УФ-лампу. В результате на гетинаксе (в районе отверстий) останутся лишь отдельные вкрапления серебра.

Получение токопроводящего слоя

Для этого понадобится медь. Ее получают из раствора. Металл осаждается на подготовленную «основу» из серебра, тем самым обеспечивая в дальнейшем надежный эл/контакт между всеми элементами схемы.

Состав раствора (из расчета на 100 мл теплой воды)

Купорос медный 2 и натр едкий 4 (в г) + глицерин 3,5 + 25% спирт нашатырный 1+ 10% формалин 11±4 (в мл).

Данный раствор крайне неустойчив, и срок его пригодности ограничен. Поэтому препарат готовить про запас бессмысленно. Только в нужном количестве и перед непосредственным применением, когда первичная обработка отверстий (серебрение) уже выполнена. Процентное соотношение компонентов в зависимости от требуемого объема раствора несложно рассчитать по приведенному рецепту.

Усиление отверстий

Выполненной металлизации достаточно лишь в случае, если при монтаже электронной схемы предполагается работать с миниатюрными радиодеталями. Но, как показывает практика, слоя хватает на один раз. Следовательно, говорить о ремонтопригодности печатной платы уже не приходится. Именно поэтому толщина металлизированного слоя увеличивается гальваническим способом, как никелирование, например.

Состав раствора (из расчета на 1 000 мл)

Концентрированная кислота, серная (70 мл) + медный купорос (250 г).

• «Минус» – на фольгированном покрытии платы, «плюс» – на пластинке из меди. Она располагается параллельно обрабатываемому образцу.
• Плотность тока (А/см2) выбирается в диапазоне 0,02 – 0,3.
• Напряжение (В): 3,5±0,5.
• Приемлемая температура (ºС) в гальванической ванне – от 20 до 28.

Более качественный, однородный слой получается при меньшем токе. Но это увеличивает время протекания процесса металлизации отверстий.

Расчёт импеданса дифференциальных переходных отверстий

Расчёт дифференциальных п/о аналогичен одиночным, за исключением того, что теперь у нас нет калькулятора: указанные выше инструменты не считают дифференциальные п/о. Также, теперь мы можем дополнительно изменять шаг п/о в диф. паре.
Структуру возьмём ту же: 8-слойную плату толщиной 1.6 мм. Рассмотрим 9 конфигураций п/о (Рисунок 15).

Первые 3 п/о имеют зазоры 0.125 мм и отличаются лишь расположением отверстий для возвратного тока. Все п/о с 4 и далее имеют шаг 1 мм. П/о с 6 и далее имеют увеличенный антипад (0.250 мм) и отличаются отступом отверстий для возвратного тока.

Рисунок 15. Переходные отверстия.

Рассмотрим график импеданса (Рисунок 16).

Рисунок 16. Импеданс п/о во временной области.

На графике хорошо виден «горб», который соответствует вертикальному отрезку п/о — «стакану» (англ. Via barrel).

Рассмотрев частотную зависимость коэффициента отражения VIA1-3 (Рисунок 17), видим, что несмотря на хорошие показатели на целевой частоте 6 ГГц, имеется резонанс на более низких частотах. Предпочтительней улучшить via7-9, а если не получится, то via4-5, чтобы уменьшить «горб» за счёт сдвига графиков вправо.

Рисунок 17. Коэффициент отражения от входа п/о.

Уменьшим антипад у VIA9, чтобы получить зазоры 0.125 мм. Для VIA4 уменьшим шаг п/о до 0.75 мм и рассмотрим полученный результат (Рисунок 18).

Рисунок 18. Сравнение импеданса модифицированных п/о.

В частотной области виден сдвиг графика коэффициента отражения от входа вправо (Рисунок 19).

Рисунок 19. Сравнение коэффициента отражения модифицированных п/о.

Заключительные рекомендации

Переходные отверстия в печатных платах — это сложная и неоднородная структура. Для корректного расчёта параметров необходимы дорогие 3D решатели, компетенции и значительные затраты времени.
Если нет возможности избежать использования переходов критических сигналов на другие слои, необходимо прежде всего оценить степень влияния возникших неоднородностей на целостность сигналов. Если неоднородность электрически короткая (время задержки менее 1/ 6 фронта), стаб резонирует на частотах, находящихся за пределами полосы пропускания — нет смысла тратить время и деньги на оптимизацию.

В первом приближении удобно использовать готовые структуры из даташитов или предыдущих плат, но помнить об особенностях текущего проекта.

Калькуляторы позволяют быстро оценить параметры п/о, однако используют сильно упрощённые модели, негативно влияющие на результат.

Список литературы

1. Chin, T. Differential pairs: four things you need to know about vias. Retrieved from TI E2E Community: https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2015/06/10/differential-pairs-four-things-you-need-to-know-about-vias#
2. Simonovich, B. Via Stubs Demystified. Retrieved from Bert Simonovich’s Design Notes: https://blog.lamsimenterprises.com/2017/03/08/via-stubs-demystified/
3. Demystifying Vias in High-Speed PCB Design. Retrieved from Keysight Technology: https://www.keysight.com
4. K. Aihara, J. Buan, A. Nagao, T. Takada and C.C. Huang, “Minimizing differential crosstalk of vias for high-speed data transmission,” in Proc. 14th Elect. Perform. Electron. Packages and Systems, Portland, OR, Oct. 2014.
5. C.M. Nieh and J. Park, “Far-end Crosstalk Cancellation using Via Stub for DDR4 Memory Channel,” in Proc. 63rd Electronics Components and Technology Conference, Las Vegas, NV, May 2013, pp. 2035-2040.
6. H. Kanno, H. Ogura and K. Takahashi, “Surface-mountable Liquid Crystal Polymer Package with Vertical Via Transition Compensating Wire Inductance up to V-band,” in IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., Philadelphia, PA, June 2003, pp. 1159-1162.
7. Via Pad / Anti-Pad Impedance Calculation. Retrieved from Polar instruments https://www.polarinstruments.com/support/si/AP8178.html