零經(jīng)驗的PCB板電鍍仿真

　　PCB 板是幾乎所有電子產(chǎn)品的心臟，它承載著(zhù)實(shí)現其功能的組件和銅線(xiàn)。制造過(guò)程中通常包含電鍍環(huán)節，不同設計的電鍍會(huì )有差異。這使仿真和優(yōu)化工程師要不斷創(chuàng )建新模型。如果能將其中大部分工作交給設計和制造PCB 板的設計、工程和技術(shù)人員，讓他們自己去進(jìn)行電鍍仿真，那又將如何呢?來(lái)這里看下如何實(shí)現吧。

　　定制電鍍仿真App 應用程序

　　可以使用App 開(kāi)發(fā)器和COMSOL Multiphysics 5.0 版本中的電鍍模塊定制電鍍App。有了它，PCB 板設計人員可以利用仿真來(lái)分析設計和制造過(guò)程中的諸多因素。他們可以判斷一項設計能否滿(mǎn)足銅線(xiàn)規格要求、評估這類(lèi)器件的表現，同時(shí)估算電鍍過(guò)程的制造成本，而無(wú)需具備電鍍方面的知識。

　　電鍍銅圖形中的設計挑戰

　　常見(jiàn)的PCB 板會(huì )使用一層或多層銅線(xiàn)來(lái)連接板上的有源和無(wú)源器件。另一方面，更高級的PCB 板中則會(huì )使用電鍍銅圖形來(lái)生成線(xiàn)路。實(shí)際開(kāi)始電鍍之前，應在PCB 板上先準備一層圖形化絕緣膜。這一過(guò)程通過(guò)以下幾個(gè)步驟實(shí)現。

　　在PCB 板上準備一層圖形化絕緣膜：

　　第一步是在PCB 板上鍍一層薄薄的導電銅種子層。接下來(lái)，PCB 板的表面需要再涂上一層光刻膠(光敏聚合物薄膜)，這一過(guò)程通常稱(chēng)作光刻。該過(guò)程會(huì )將覆蓋了圖形化掩膜板的光刻膠置于紫外線(xiàn)之下，曝光區域發(fā)生溶解。結果是得到了帶有圖形化絕緣膜、且已露出圖形底部種子層的PCB 板。

　　將種子層鍍于PCB 板之上(左)。通過(guò)光刻法利用光刻膠繪制PCB 板圖形(右)。

　　在電鍍過(guò)程中，PCB 板和銅陽(yáng)極(例如實(shí)心銅條)被浸入電鍍槽，其中包含硫酸和硫酸銅的電解液。在陽(yáng)極和種子層陰極之間施加一個(gè)電壓，這會(huì )引起電化學(xué)還原反應，銅離子被還原到鍍(沉積)在種子層上的銅金屬之中。隨著(zhù)時(shí)間的推移，鍍層厚度直接與電化學(xué)反應的速率成正比，而速率則由種子層不同位置處的電流密度所確定。因此，圖形化光刻膠腔體中填滿(mǎn)了固體銅?？赏ㄟ^(guò)控制平均電流密度來(lái)保持電鍍速度(例如，待鍍圖形化區域中的總電流大小)。

　　最后，清除剩余的光刻膠，蝕刻薄種子層以分隔開(kāi)不同的鍍銅線(xiàn)。

　　銅被電鍍在導電種子層之上，從而填滿(mǎn)了PCB 板上的圖形化光刻膠腔體(左)。清除光刻膠，蝕刻暴露出的種子層以分隔開(kāi)不同的銅線(xiàn)(右)。

　　電鍍速度的均勻性：

　　該過(guò)程中已知的一個(gè)問(wèn)題是，整個(gè)PCB 板中的電鍍速度并非總能保持均勻。電解液中的電場(chǎng)集中于被大塊絕緣區域所包圍的導電圖形，以及靠近PCB 板邊緣的圖形處。電場(chǎng)的非均勻性在這些區域的陰極表面產(chǎn)生了更高的局部電流密度，該效應通常稱(chēng)為電流叢聚。隨著(zhù)時(shí)間的推移，鍍層厚度與電流密度成正比，這會(huì )在PCB 板中造成我們所不希望的銅線(xiàn)厚度變化。這意味著(zhù)PCB 板不同位置處銅線(xiàn)間的電阻會(huì )有差異。當PCB 板用于電子器件時(shí)，這種厚度變化可能是性能問(wèn)題，甚至在最壞的情況下，引發(fā)器件故障的根源所在。

　　在電鍍銅圖形的步驟中，PCB 板和銅陽(yáng)極被浸在電鍍槽(電解液)中(左)。在陽(yáng)極和PCB 板之間施加電壓后，銅會(huì )沉積并形成導線(xiàn)圖形。從陽(yáng)極到PCB 板導電部分的電場(chǎng)在靠近大塊絕緣區域以及PCB 板邊緣處出現叢聚(左圖中以彩色電場(chǎng)線(xiàn)圖顯示)。這將在這些區域形成更高的局部銅厚度(參見(jiàn)右圖導線(xiàn)圖形中的紅色部分)。

　　設計階段的仿真和優(yōu)化

　　為避免在電子器件的運行中出現性能下降或器件故障，銅線(xiàn)電路必須滿(mǎn)足一套厚度均勻性的規格。通常情況下，印刷電路板的設計人員會(huì )依賴(lài)一些簡(jiǎn)單的設計規則，例如最大與最小線(xiàn)寬、間距，以及圖形密度。然而，通過(guò)電鍍仿真，可以更精確地計算能達到的預期銅層厚度變化。有了這一信息，就可以在早期修改設計，而無(wú)需等待原型機結果。

　　為了降低電流叢聚，可以在通常是大塊絕緣區域的位置加入“虛置”圖形設計。此時(shí)，虛置圖形會(huì )接受部分電流，這將降低實(shí)際布線(xiàn)圖中的高電流密度。虛置圖形的部分區域仍會(huì )有較高的電流密度，但由于它并非實(shí)際布線(xiàn)的一部分，所以沒(méi)有關(guān)系。通過(guò)仿真，可以快速簡(jiǎn)單地重新設計并計算不同圖形布局所得到的厚度均勻性。

　　為了減小銅圖形的厚度變化，可在通常是大塊絕緣區域的位置加入虛置圖形。左圖中，紅色區域顯示靠近絕緣區域的銅圖形中厚度較高的部分。右圖顯示了如何加入虛置圖形以降低銅布線(xiàn)圖形中的厚度變化。

　　減小厚度變化的另外一個(gè)步驟與電鍍槽設置有關(guān)。為降低邊緣處的電流叢聚效應，可以使用稱(chēng)為孔隙的器件。

　　孔隙本質(zhì)上是帶有開(kāi)口的一個(gè)絕緣屏蔽層，在電鍍槽中，它被放置在銅陽(yáng)極和PCB 板之間?？紫堕_(kāi)口的尺寸必須小于PCB 板的尺寸，以降低邊緣處的電流叢聚。除此之外，很難估計出孔隙的最佳尺寸和安置位置。

　　幸運的是，通過(guò)仿真可以快速簡(jiǎn)單地進(jìn)行優(yōu)化。下圖模擬了帶有矩形開(kāi)口的孔隙?？紫堕_(kāi)口的長(cháng)度與寬度及其在電鍍槽中的放置位置得到了優(yōu)化，從而使PCB 板上的厚度變化降到最低。

　　為了避免靠近PCB 板邊緣處的叢聚效應(如左圖所示)，可在電鍍槽的陽(yáng)極和之間放置一個(gè)帶有開(kāi)口的孔隙，即絕緣屏蔽層。右圖顯示了經(jīng)仿真優(yōu)化后可以達到最小厚度變化的孔隙開(kāi)口大小，及其在電鍍槽中的放置位置。

　　制造成本方面的考慮

　　PCB 板制造商如要擁有競爭力，就必須考慮制造成本。如前所述，最終產(chǎn)品總是需要滿(mǎn)足一個(gè)銅厚度均勻性規格。厚度均勻性本質(zhì)上取決于電鍍過(guò)程中的總電鍍速度;整體速度越高，厚度變化越大。此外，總加工時(shí)間決定了生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)量，因此，也決定了制造成本。

　　成本最小化

　　為了最小化制造成本，加工會(huì )按照能滿(mǎn)足厚度規格的最大可能速度進(jìn)行。通過(guò)使用仿真研究電鍍速度的影響，可以計算出針對給定厚度均勻性規格應采用的電鍍速度。這使我們在設計階段就能估算出制造成本。

　　通過(guò)改進(jìn)設計，或使用孔隙來(lái)改進(jìn)均勻性，可以模擬得到能夠支持的最高電鍍速度，以及PCB 板生產(chǎn)中可以節省的成本。

　　通過(guò)電鍍App 運行仿真

　　擁有電化學(xué)背景，同時(shí)理解仿真模型和軟件的人士創(chuàng )建了電鍍仿真模型。PCB 板設計人員通常擅長(cháng)電氣設計，但對制造中的電化學(xué)過(guò)程了解不多或完全沒(méi)有相關(guān)知識。

　　我們已經(jīng)討論了電鍍仿真的諸多優(yōu)勢，但如何才能使PCB 板設計人員使用上仿真模型呢?

　　創(chuàng )建App

　　解決方案之一是創(chuàng )建界面易于使用的定制電鍍App，這使PCB 板設計人員可以研究一些重要參數，同時(shí)只需點(diǎn)擊幾下鼠標就能運行仿真。

　　利用COMSOL Multiphysics 5.0 版本中所帶的App 開(kāi)發(fā)器，仿真專(zhuān)家們只需投入很少的精力就可以創(chuàng )建出這類(lèi)App，從而使組織中的其他人都可以運行仿真。

　　電鍍App 允許PCB 板設計人員導入不同的設計(包含或不含虛置圖形)，點(diǎn)擊計算，然后就能查看所仿真的厚度均勻性。也可以改變電鍍槽和陽(yáng)極的尺寸，或加入一個(gè)孔隙。只需簡(jiǎn)單一個(gè)點(diǎn)擊，即可運行App 來(lái)優(yōu)化孔隙的尺寸和放置位置。最后，可利用App 找出針對給定厚度均勻性規格的最高電鍍速度。通過(guò)這一信息，可以計算出制造成本。

　　電鍍App 的用戶(hù)界面。它支持PCB 板設計人員上傳不同的設計，修改電鍍槽尺寸，以及加入特定尺寸的孔隙(可選)。

　　有了電鍍App，用戶(hù)只需簡(jiǎn)單點(diǎn)擊就可以運行仿真。用戶(hù)可以研究銅線(xiàn)厚度的均勻性，以及不同設計、電鍍速度和電鍍槽設置對它的影響。此外，也可以運行App 來(lái)仿真用于減少厚度變化的最佳孔隙尺寸。最后，App 可用于計算針對給定的厚度均勻性目標、所支持的最高電鍍速度。

　　結束語(yǔ)

　　我們已經(jīng)討論了仿真對于使用電鍍銅圖形工藝的高級PCB 板而言的重要性。在設計階段運行電鍍仿真，可以減少由于電鍍過(guò)程中的厚度變化而產(chǎn)生的性能下降，甚至可以減少器件故障。

　　傳統意義上，這類(lèi)仿真模型并非由PCB 板設計人員所操作，更多的是電鍍和仿真專(zhuān)家們的工作。但是，通過(guò)構建界面易于使用的專(zhuān)業(yè)電鍍App，我們可以將電鍍仿真帶給PCB 板設計人員。設計人員能夠在日常工作中運行仿真，并充分享受它帶來(lái)的各種優(yōu)勢。

　　最后，通過(guò)減少原型機的數量以及優(yōu)化設計和工藝來(lái)最小化制造成本，資金得到了節省。進(jìn)一步而言，類(lèi)似的App 可以加入到制造過(guò)程中，由負責此階段的工程和技術(shù)人員運行。這使他們可以自行對電鍍的操作進(jìn)行微調和校準，以及輔助進(jìn)行質(zhì)量保證。