印刷电路板设计师的电镀模拟

2014年12月17日

印刷电路板(PCB)几乎是任何电子产品的核心,载有支撑其功能的组件和铜线。该制造商通常涉及电镀,该过程之间的设计可能会有所不同。这使您是其模拟和优化背后的工程师,不断创建新的模型。如果您可以将这项工作的大部分推向设计和制造的设计师,工程师和技术人员,让他们对PCB进行电镀模拟,该怎么办?看看这里如何。

量身定制的电镀仿真应用程序

可以使用应用程序构建器和Comsol Multiphysics版本5.0中的电沉积模块构建量身定制的电镀应用程序。有了此资源,PCB设计人员可以使用仿真来分析设计和制造过程中的许多因素。他们可以评估设计是否足以实现铜线接线规格,评估此类设备的性能并估算电镀工艺的制造成本,而无需任何电镀知识。

铜模式镀层过程的设计挑战

普通的印刷电路板(PCB)使用一层或多层铜线连接到板的主动和被动设备。另一方面,更高级的PCB使用铜图案镀板生成电线。在可以进行实际的电镀过程之前,需要使用图案化的绝缘膜制备PCB。此特定过程是通过多个步骤完成的。

用图案的绝缘膜准备PCB

第一步是用薄的导电铜种子层覆盖PCB。接下来,PCB的表面需要用光蛋白天(光敏聚合物膜),称为光刻学。该过程通过图案化的光掩膜暴露了对紫外线的抗性,然后溶解了暴露的区域。结果是带有图案性绝缘膜的PCB,可暴露于图案底部的种子层。

种子层应用于印刷电路板。
将光电抗光圈添加到PCB的表面上。

将种子层应用于PCB(左)。使用光刻摄影(右)模式的PCB。

在电镀过程中,将PCB浸入电镀浴中,该电镀浴是含有硫酸和硫酸铜的电解质,以及铜阳极(例如固体铜棒)。在阳极和种子层(阴极)之间施加电压,这导致铜离子的电化学还原为在种子层上镀(沉积)的铜金属。沉积层的厚度与随时间的电化学反应的速率成正比,这是由种子层中不同位置的电流密度随时间而给出的。结果,图案化的光震鼠的腔体充满了固体铜。通过控制平均电流密度(即要镀的模式区域上的总电流)来维持电镀速率。

最后,将其余的光孔剥去,并蚀刻薄的种子层以将板条的铜线隔开。

图像显示了铜如何填充图案化的光震鼠的腔。
描绘薄种子层的蚀刻的照片,该层分离出镀铜线。

铜在导电层上电沉积,从而在PCB上填充了图案化的光丝师腔(左)。光孔被剥去,并蚀刻裸露的种子层以将铜线彼此分离(右)。

电镀速率均匀性

此过程的一个已知问题是,整个PCB的电镀速率并不总是均匀的。电解质中的电场集中在被大型绝缘区域以及靠近PCB边缘的模式包围的导电模式上。电场中的这些不均匀性导致在这些区域的阴极表面的局部电流密度较高,这种效果通常称为当前的拥挤。板条的厚度与随着时间的时间的流动密度成正比,这会导致PCB上铜线的厚度变化不良。这意味着PCB中不同位置的铜线之间将存在电阻变化。这种变化可能是性能问题的根本原因,或者在最坏的情况下,当PCB在电子设备中使用时,设备故障。

模型显示电镀浴。
照片突出电场中的不均匀性。

在铜模式板步骤中,将PCB与铜阳极(左)一起浸入电镀浴中(电解质)。当在阳极和PCB之间施加电压时,将铜沉积以形成电线图案。从阳极到PCB上的导电零件的电场以靠近大型绝缘区域和PCB边缘的模式拥挤(由左图中图像中的彩色电场流线说明)。这会导致这些区域中局部较高的铜厚度(在图像右侧的电线模式的红色部分中看到)。

设计阶段的仿真和优化

为了避免在电子设备运行过程中的性能或设备故障,铜电路必须符合一组厚度均匀性规范。通常,印刷电路板设计师将依靠简单的设计规则,例如最大和最小线,空间和图案密度。但是,通过使用电镀模拟,可以实现对预期铜厚度变化的更准确的估计。有了这些信息,可以在早期阶段修改设计,而不是等待原型结果。

为了减少当前的拥挤,可以在通常会有大型绝缘区域的设计中包含“虚拟”模式。在这种情况下,虚拟图案将接收到一些电流,从而降低了实际接线模式中的高电流密度。虚拟图案的一部分可能仍会获得高电流密度,但是由于它不是实际接线的一部分,因此这不是问题。通过模拟,重新设计和评估不同图案布局的厚度均匀性是快速易于的。

铜模式厚度变化。
虚拟图案可以减少厚度变化。

为了减少铜模式厚度变化,可以在通常会有大绝缘区域的地方包括一个虚拟图案。在左侧的图像中,红色区域显示出接近绝缘区域的铜图案的高厚度部分。右侧的图像显示了如何包括虚拟图案,以减少铜线布线的厚度变化。

减少厚度变化的另一个步骤与电镀浴的设置有关。为了减少边缘当前的拥挤效应,所谓的光圈可以使用。

孔基本上是一个绝缘屏蔽层,其开口位于铜阳极和板浴中的PCB之间。孔径开口必须小于PCB尺寸,以减少边缘当前的拥挤。除此之外,很难猜测光圈的最佳尺寸和位置。

幸运的是,通过仿真进行优化相当快速,容易。在下面的插图中,模拟了带有矩形开口的光圈。开口的长度和宽度以及光圈在浴缸中的放置被优化,以最大程度地减少PCB的厚度变化。

当前的拥挤效果。
孔径可最大程度地减少厚度的变化。

为了避免靠近PCB和光圈边缘的当前拥挤效果(如左图所示),可以将带有开口的绝缘盾牌放在电镀浴中的阳极和PCB之间。右图像显示了光圈,其中使用模拟优化了其在浴缸中的开口和放置在浴缸中的尺寸,以给出最小的厚度变化。

制造成本注意事项

如果PCB制造商希望具有竞争力,那么考虑制造成本总是至关重要的。如上所述,最终产品通常需要满足铜厚度均匀性规范。厚度均匀性固有地取决于电镀过程中使用的总镀层速率;总体速率越高,厚度变化越多。此外,总过程时间确定了生产线的吞吐量,因此决定了制造成本。

最小化成本

为了最大程度地减少制造成本,该过程的运行速度最高,同时仍达到厚度规格。通过使用仿真来研究电镀速率的影响,可以估计可以以给定的厚度均匀性规范运行哪种电镀速率。这可以估计设计阶段的制造成本。

通过改进设计或使用光圈来改善均匀性,可以模拟这将使这将启用多少较高的电镀率,以及在PCB生产过程中可以节省多少资金。

通过电镀应用程序可用

电镀仿真模型是由具有电化学背景以及对仿真模型和软件的理解的人创建的。PCB设计师通常熟练于电气设计,但对制造过程中正在进行的电化学过程几乎没有任何了解。

已经讨论了电镀模拟的许多好处,但是如何使PCB设计人员可用模拟模型?

构建应用程序

一种解决方案是使用量身定制的易于使用的接口构建电镀应用程序,该应用程序允许PCB设计人员使用一些简单的单击来研究重要参数并运行模拟。

与应用程序构建器一起comsol Multiphysics版本5.0,模拟专家可以在很少的努力中创建此类应用程序,并使组织中的其他利益相关者可以使用仿真。

电镀应用程序允许PCB设计人员导入不同的设计(有或没有虚拟图案),单击计算并可视化模拟厚度均匀性。也可以更改板浴和阳极的尺寸,并包括孔径。通过简单的单击,也可以运行该应用程序以优化光圈的尺寸和位置。最后,该应用程序可用于找出给定厚度均匀性规范的最大电镀速率。有了这些信息,可以估计制造成本。

电镀应用程序的用户界面。
电镀应用程序的用户界面。它允许PCB设计人员上传不同的设计,修改电镀浴缸的尺寸,并((可选地)包含具有一定尺寸的光圈。

电镀应用程序的结果。
使用电镀应用程序,用户可以简单单击运行模拟。用户可以研究铜线厚度均匀性,以及如何受到不同设计,电镀速率和电镀浴室设置的影响。此外,还可以运行该应用程序以模拟最佳孔径尺寸,以减少厚度变化。最后,该应用程序可用于计算给定厚度均匀性目标的最大电镀速率。

总结说

我们已经讨论了模拟对使用铜模式电镀技术的高级PCB的重要性。通过在设计阶段运行电镀模拟,可以缓解电镀过程中不必要的厚度变化引起的性能甚至设备故障。

传统上,PCB设计人员不会执行这些模拟模型,并且更有可能通过电镀和仿真专家运行。但是,通过构建具有量身定制的易于使用界面的电镀应用程序,我们可以将电镀模拟带到PCB设计人员。设计师将能够在日常工作中运行并利用模拟的所有好处。

最后,可以通过减少原型的数量并优化设计和流程以最大程度地降低制造成本来节省资金。此外,可以将类似的应用程序纳入制造过程中,并由负责此过程的工程师和技术人员运行。这使他们可以对电镀的操作进行小型调整和校准,并有助于质量保证。


评论(0)

发表评论
乐动体育app
加载...
探索comsol乐动体育赛事播报博客