Тема баланса меди на практике достаточно проста при проектировании, но очень важна при производстве: от этого зависит риск возникновения деформация (изгиб и кручение) печатной платы, что в дальнейшем напрямую влияет на монтаж готового печатного узла. При этом сам принцип соблюдения баланса довольно простой — важно не количество меди как таковое, а её распределение по слоям и по площади платы.

В этой статье разберем, что именно инженеры подготовки и технологи производства называют балансом меди, чем его нарушение грозит на производстве и при эксплуатации, и что можно сделать на стороне разработчика и инженера подготовки, чтобы не доводить дело до деформаций.

Что такое баланс меди?

Под балансом меди обычно подразумевают сразу три взаимосвязанных вещи:

• равномерность распределения меди в пределах каждого слоя печатной платы;

• баланс меди между всеми слоями платы относительно центра её стека;

• равномерное расположение металлизированных отверстий, особенно глухих и скрытых.

Баланс внутри одного слоя

Баланс соблюден, если по одному слою мысленно провести линию симметрии и увидеть, что левая и правая части по распределению меди похожи друг на друга. А если одна половина заполнена сплошными полигонами и широкими проводниками, а другая — несколькими тонкими дорожками, то это уже заметный дисбаланс.

Баланс между слоями

Второй уровень — симметрия стека относительно его центра.

Базовая толщина меди по слоям должна быть по возможности симметрична. Площади сплошных полигонов (земля, питание, крупные полигоны) тоже желательно располагать зеркально относительно центра платы. На практике это означает, что силовые или земляные слои разумно парно разносить относительно середины стека.

Баланс отверстий

Про отверстия вспоминают реже, хотя они тоже вносят вклад. Речь в первую очередь о глухих/скрытых отверстиях и их распределении с одной стороны стека.

Если, условно, сверху стека от центра у вас массив глухих отверстий, а снизу — почти ничего, то при нагреве и прессовании этот участок будет вести себя по‑другому, чем симметричный ему по толщине, но пустой по сверловке. Это ещё один источник несимметричной термической нагрузки.

Что будет, если баланс меди не соблюдать?

Плохой баланс меди редко приводит браку, который видно сразу глазами на первой же операции. Чаще всего это накопительный эффект, который вылезает уже на стадии:

• финишного покрытия горячим лужением;

• пайки в печи;

• при эксплуатационном прогреве в составе изделия.

Нарушение баланса меди приводит к трем основным рискам.

1. Изгиб и кручение платы

Неравномерная термическая нагрузка по площади и по толщине стека приводит к деформации: плата либо изгибается, либо скручивается.

При изгибе четыре угла всё ещё лежат в одной плоскости, но плата прогнута вверх или вниз — нарушается параллельность относительно базовой плоскости.

При кручении три угла формируют плоскость, а четвёртый уходит вверх или вниз.

Для плат с SMD‑монтажом стандарт IPC‑6012 допускает деформацию изгиба/кручения менее 0,75%, для остальных — менее 1,5%. При производстве мы придерживаем формул расчета этих двух деформаций из стандарта IPC-TM-650.

Для примера рассчитаем кручение для ПП с диагональю D=200 mm при измеренном отклонении угла платы от плоскости R=2 mm:

Кручение% = (2/(2*200))*100 = 0.5%

Стоит отметить, что чем крупнее панель (и соответственно тем больше маленьких плат мультиплицировано в одну заготовку), тем заметнее эффект: тот же дисбаланс меди приводит к большему абсолютному изгибу. И наоборот, более толстая плата при прочих равных менее подвержена деформации, но полностью проблему это не решает.

2. Деламинация материала

Неравномерное распределение смолы при прессовании стека приводит к возникновению областей с низким содержанием смолы. Отсюда возникает вторая проблема — это риск деламинации материала. 

Когда слои меди сильно различаются по площади и теплопоглощающей способности, во время прессования стеклоткань и смола прогреваются и текут неравномерно. В местах с высокой долей меди смола может просто выдавиться, и между слоями останется её недостаточно для нормальной склейки.

Характерные черты деламинации:

• сверху видны характерные белёсые пятна;

• на микрошлифах можно видеть отслоения и пустоты между слоями.

3. Неравномерное осаждение меди и связанные дефекты

Третий большой риск — неравномерное осаждение меди и, как следствие, разброс по финишной толщине меди на слоях.

При сильном нарушении баланса меди отдельные изолированные элементы топологии начинают вести себя как магниты для ионов меди. На таких одиночных площадках и фрагментах полигона металл нарастает интенсивнее, чем на равномерно связанной сетке проводников.

Это приводит к таким проблемам:

• Травление — рисунок стравливается неравномерно: где‑то боковой подтрав слишком сильный, проводник уходит в трапецию и заметно сужается, где‑то наоборот — остаётся толще нормы.

• Паяльная маска — появляются так называемые розовые ореолы вдоль проводников и площадок.

• Шелкография — на толстой, неравномерно стравленной меди надписи теряют читаемость, особенно при сложных шрифтах или мелких размерах.

Каким правилам придерживаться, чтобы соблюсти баланс?

Хорошая новость в том, что большую часть проблем с балансом меди можно предотвратить ещё на стадии трассировки или технологической подготовки производства.

Рассмотрим основные рабочие инструменты.

1. Добавление меди в свободные от нее области

Самый простой и при этом очень эффективный способ — добавить медь в пустые от нее области. Делают это как в теле платы между проводниками, полигонами и контактными площадками, так и на технологических полях, необходимых для монтажа.

На практике чаще всего применяют сетчатые полигоны:

• ячейка и зазор порядка 0,3–0,8 мм;

• сетка может быть как решёткой, так и набором отдельных точек/островков.

Такой подход даёт сразу несколько плюсов:

• более равномерное распределение меди по площади,

• сглаживание разницы между заполненными медью и пустыми зонами,

• лучшая однородность металлизации в отверстиях.

По сравнению со сплошной заливкой сетка меньше ломает тепловые характеристики: плата лучше пропускает тепло и меньше концентрирует его в одном месте. Поэтому сетчатые полигоны — предпочтительный вариант компенсации.

Вводить такие полигоны можно напрямую в САПР, так и уже при CAM-подготовке платы.

Важный нюанс: сетчатые полигоны не рекомендуют использовать на опорных слоях с линиями согласованного импеданса — зазоры сетки мешают экранированию и могут значительно исказить параметры линии.

2. Симметрия стека по меди и толщине

Второй блок рекомендаций — симметрия стека.

Крупные заливки полигонами (земля, питание и прочее) старайтесь раскладывать парно относительно центра платы. Разница по площади меди между зеркальными слоями желательно не более 30% — многие САПР умеют считать это автоматически и показывать процент заполнения слоя медью.

Базовую толщину меди тоже по возможности делайте симметричной относительно центра стека.

Так вы снижаете вероятность того, что плата поведёт дугой при нагреве, а перепады тепла при прессовании стеклоткани будут локальными, а не глобальными.

3. Равномерное расположение отверстий

Скрытые/глухие отверстия сами по себе технологически сложнее сквозных, а при неудачном распределении ещё и нарушают баланс меди и термонагрузку.

Идея здесь простая:

• по возможности не концентрировать массив глухих и скрытых отверстий в одной зоне или на одной стороне стека;

• стараться выдерживать визуальную равномерность относительно центра платы.

Если избежать локальной плотности отверстий нельзя, это стоит заранее проговорить с производством на уровне технологичности выбранного стека и допусков по деформации.

Итоги

Баланс меди важен всегда, даже для маленьких плат и небольшой толщины меди. Если на одном слое у вас большая заливка на top, а на bottom всего несколько дорожек, — это уже дисбаланс, и компенсировать медь стоит хотя бы сеткой.

Если сильно упростить, то хороший баланс меди — это когда плата не пытается стать пропеллером в печи и не расслоиться при первом же термоцикле. Для этого достаточно придерживаться трёх правил:

• не оставлять внутри слоя огромные  пустоты;

• следить за симметрией стека по толщине и по площади меди (ориентируясь хотя бы на те самые 30%);

• не забывать про влияние глухих/скрытых отверстий на термонагрузку и проговаривать спорные места с заводом заранее.

Хотя баланс меди всегда оценивается инженерами предпроизводственной подготовки перед запуском плат в изготовление, чем раньше вы закладываете эти вещи в проект, тем меньше сюрпризов будет на этапе подготовки и тем предсказуемее поведёт себя уже собранное изделие.

Баланс меди — лишь один из вопросов проектирования плат с учетом производства. Подробно о том, как оптимально проектировать печатные платы, мы писали в отдельной статье.

Спасибо, что прочитали!

Мы надеемся, что наши рекоммендации помогают вам проектировать ваши проекты печатных плат еще лучше! Еще у нас есть телеграм-канал, где мы на регулярной рассказываем подобные темы, разбираем ваши вопросы и просто делимся экспертизой производства и проектирования. Присоединяйтесь, будет интересно!

На нашем сайте вы можете также найти руководства по проектированию жестких печатных плат и HDI, а также руководство по входному контролю. Скачать их можно тут. В будущем мы планируем выпускать еще такие материалы!