شبیه سازی آبکاری برای طراحان مدار چاپی

برد مدار چاپی (PCB) قلب تقریباً هر محصول الکترونیکی است و قطعات و سیم های مسی را حمل می کند که از عملکرد آن پشتیبانی می کند. تولید اغلب شامل آبکاری الکتریکی است، فرآیندی که می تواند بین طرح ها متفاوت باشد. این باعث می‌شود که شما، مهندس، شبیه‌سازی و بهینه‌سازی خود را پشت سر بگذارد و دائماً مدل‌های جدید ایجاد کنید. اگر بتوانید بیشتر این کار را بر روی طراحان، مهندسان و تکنسین های پشت طراحی و ساخت آن فشار دهید و از آنها بخواهید شبیه سازی های آبکاری خود را برای PCB ها اجرا کنند چه می شود؟ اینجا ببینید چطور

برنامه های شبیه سازی آبکاری مناسب

با استفاده از Application Builder و Electrodeposition Module در COMSOL Multiphysics نسخه 5.0 می توان یک برنامه آبکاری مناسب ساخت. با استفاده از این منبع، طراحان PCB می توانند از شبیه سازی برای تجزیه و تحلیل تعدادی از عوامل در فرآیند طراحی و ساخت استفاده کنند. آنها می توانند ارزیابی کنند که آیا یک طرح برای دستیابی به مشخصات سیم کشی مسی مناسب است یا خیر، عملکرد چنین دستگاه هایی را ارزیابی کنند و هزینه تولید فرآیند آبکاری را بدون هیچ گونه دانش قبلی در مورد آبکاری تخمین بزنند.

چالش های طراحی فرآیند آبکاری الگوی مس

یک برد مدار چاپی معمولی (PCB) از یک لایه یا چند لایه سیم مسی برای اتصال به دستگاه های فعال و غیرفعال برد استفاده می کند. از سوی دیگر، PCB های پیشرفته تر، از آبکاری الگوی مسی برای تولید سیم ها استفاده می کنند. قبل از اینکه فرآیند آبکاری واقعی انجام شود، PCB باید با یک فیلم عایق طرح دار آماده شود. این فرآیند خاص در چند مرحله انجام می شود.

آماده سازی PCB با یک فیلم عایق طرح دار

اولین مرحله این است که PCB را با یک لایه دانه مس رسانای نازک بپوشانید. در مرحله بعد، سطح PCB باید با یک نور مقاوم (یک فیلم پلیمری حساس به نور) پوشانده شود، فرآیندی که به آن فوتولیتوگرافی گفته می شود . این فرآیند از طریق یک ماسک نوری طرح‌دار، مقاومت را در معرض نور فرابنفش قرار می‌دهد و سپس مناطقی را که در معرض قرار گرفته‌اند حل می‌کند. نتیجه یک PCB با یک فیلم عایق طرح‌دار است که لایه بذر را در پایین الگو نمایان می‌کند.

یک لایه دانه روی PCB اعمال می شود (سمت چپ). PCB با استفاده از فوتولیتوگرافی (سمت راست) با مقاومت نوری الگوبرداری شده است.

در طول فرآیند آبکاری، PCB در یک حمام آبکاری غوطه ور می شود، که یک الکترولیت حاوی اسید سولفوریک و سولفات مس است، همراه با آندهای مس (مثلا میله های مس جامد). ولتاژی بین آندها و لایه بذر، کاتد اعمال می‌شود که منجر به کاهش الکتروشیمیایی یون‌های مس به فلز مس می‌شود که روی لایه بذر آبکاری شده (رسوب می‌شود). ضخامت لایه رسوب‌شده به طور مستقیم با سرعت واکنش الکتروشیمیایی در طول زمان، که با چگالی جریان در موقعیت‌های مختلف در لایه بذر در طول زمان داده می‌شود، متناسب است. در نتیجه، حفره های مقاوم نوری طرح دار با مس جامد پر می شود. نرخ آبکاری با کنترل میانگین چگالی جریان (یعنی کل جریان در منطقه الگوی مورد آبکاری) حفظ می شود.

در نهایت، مقاومت نوری باقیمانده از بین می‌رود و لایه نازک دانه برای جداسازی سیم‌های مسی آبکاری شده از یکدیگر حک می‌شود.

مس بر روی لایه بذر رسانا رسوب می‌کند و در نتیجه حفره‌های مقاوم نوری طرح‌دار روی PCB (سمت چپ) را پر می‌کند. مقاومت نوری برداشته می شود و لایه بذری که در معرض آن قرار گرفته است حک می شود تا سیم های مسی از یکدیگر جدا شوند (سمت راست).

یکنواختی نرخ آبکاری

یک مشکل شناخته شده در مورد این فرآیند این است که سرعت آبکاری در کل PCB همیشه یکنواخت نیست. میدان الکتریکی در الکترولیت به الگوی رسانایی که توسط مناطق عایق بزرگ احاطه شده است و همچنین در الگوی نزدیک به لبه‌های PCB متمرکز است. این نایکنواختی‌ها در میدان الکتریکی منجر به چگالی جریان بیشتر محلی در سطح کاتد در آن نواحی می‌شود – اثری که معمولاً به عنوان شلوغی جریان شناخته می‌شود.. ضخامت آبکاری شده متناسب با چگالی جریان در طول زمان است، که منجر به تغییر ضخامت ناخواسته سیم‌های مسی در سراسر PCB می‌شود. این بدان معنی است که یک تغییر مقاومت بین سیم های مسی در موقعیت های مختلف در PCB وجود خواهد داشت. این تغییر می تواند علت اصلی مشکلات عملکرد یا در بدترین حالت، خرابی دستگاه در هنگام استفاده از PCB در یک دستگاه الکترونیکی باشد.

در طول مرحله آبکاری الگوی مس، PCB در یک حمام آبکاری (یک الکترولیت) همراه با آندهای مسی (سمت چپ) غوطه ور می شود. هنگامی که ولتاژی بین آند و PCB اعمال می شود، مس رسوب می کند تا الگوی سیم را تشکیل دهد. میدان الکتریکی از آند به قسمت‌های رسانا روی PCB به شکلی شلوغ است که به مناطق عایق بزرگ و لبه PCB نزدیک است (که توسط خطوط جریان الکتریکی رنگی در تصویر سمت چپ نشان داده شده است). این منجر به ضخامت مس محلی بیشتر در این مناطق می شود (که در قسمت های قرمز رنگ الگوی سیم در تصویر سمت راست دیده می شود).

شبیه سازی و بهینه سازی در مرحله طراحی

برای جلوگیری از کاهش عملکرد یا خرابی دستگاه در حین کار دستگاه های الکترونیکی، مدارهای مسی باید دارای مجموعه ای از مشخصات یکنواختی ضخامت باشند. به طور معمول، طراح برد مدار چاپی بر قوانین طراحی ساده مانند خطوط حداکثر و حداقل، فضاها و چگالی الگو تکیه می کند. با این حال، با استفاده از شبیه‌سازی‌های آبکاری، می‌توان به برآورد بسیار دقیق‌تری از تغییرات ضخامت مس مورد انتظار دست یافت. با این اطلاعات، می توان به جای منتظر ماندن برای نتایج نمونه اولیه، طرح را در مراحل اولیه اصلاح کرد.

به منظور کاهش ازدحام فعلی، یک الگوی “ساختگی” را می توان در طرح گنجاند که در آن معمولاً مناطق عایق بزرگ وجود دارد. در آن صورت، الگوی ساختگی مقداری از جریان را دریافت می‌کند که چگالی جریان بالا را در الگوی سیم‌کشی واقعی کاهش می‌دهد. بخش‌هایی از الگوی ساختگی ممکن است همچنان چگالی جریان بالایی دریافت کنند، اما از آنجایی که بخشی از سیم‌کشی واقعی نیست، مشکلی نیست. با شبیه‌سازی‌ها، طراحی مجدد و ارزیابی یکنواختی ضخامت حاصل برای طرح‌بندی‌های الگوی مختلف سریع و آسان است.

به منظور کاهش تغییرات ضخامت الگوی مس، می توان یک الگوی ساختگی را در جایی که معمولاً مناطق عایق بزرگی وجود دارد، اضافه کرد. در تصویر سمت چپ، نواحی قرمز رنگ، بخش‌های ضخیم بالای الگوی مس را نشان می‌دهند که نزدیک به مناطق عایق هستند. تصویر سمت راست نشان می‌دهد که چگونه می‌توان یک الگوی ساختگی برای کاهش تغییرات ضخامت در الگوی سیم‌کشی مسی گنجاند.

یک مرحله اضافی در کاهش تغییرات ضخامت مربوط به راه اندازی حمام آبکاری است. برای کاهش اثر شلوغی فعلی در لبه ها، می توان از دیافراگم به اصطلاح استفاده کرد.

دیافراگم اساساً یک سپر عایق با دهانه ای است که بین آندهای مس و PCB در حمام آبکاری قرار می گیرد. برای کاهش شلوغی جریان لبه، دهانه دیافراگم باید کوچکتر از ابعاد PCB باشد. به غیر از آن، حدس زدن اندازه و محل بهینه دیافراگم دشوار است.

خوشبختانه، بهینه سازی از طریق شبیه سازی نسبتاً سریع و آسان است. در تصاویر زیر، دیافراگم با دهانه مستطیلی شبیه سازی شده است. طول و عرض دهانه و همچنین قرارگیری دیافراگم در حمام برای به حداقل رساندن تغییرات ضخامت در PCB بهینه شده است.

برای جلوگیری از اثر شلوغی فعلی نزدیک به لبه PCB و دیافراگم (همانطور که در تصویر سمت چپ مشاهده می شود)، می توان یک محافظ عایق با یک بازشو بین آندها و PCB در حمام آبکاری قرار داد. تصویر سمت راست دیافراگم را نشان می دهد که اندازه دهانه و قرارگیری آن در حمام با استفاده از شبیه سازی بهینه شده است تا حداقل تغییرات ضخامت را ارائه دهد.

ملاحظات هزینه تولید

اگر تولیدکنندگان PCB می خواهند رقابتی باشند، همیشه باید هزینه های ساخت را در نظر گرفت. همانطور که در بالا ذکر شد، معمولاً مشخصات یکنواختی ضخامت مس وجود دارد که محصول نهایی باید آن را برآورده کند. یکنواختی ضخامت ذاتاً به میزان کل آبکاری مورد استفاده در فرآیند آبکاری بستگی دارد. هرچه نرخ کلی بالاتر باشد، تغییرات ضخامت بیشتر است. همچنین، کل زمان فرآیند، توان عملیاتی خط تولید و در نتیجه هزینه ساخت را تعیین می کند.

به حداقل رساندن هزینه

برای به حداقل رساندن هزینه ساخت، فرآیند با بالاترین نرخ ممکن اجرا می شود و در عین حال به مشخصات ضخامت دست می یابد. با استفاده از شبیه‌سازی‌ها برای مطالعه تأثیر نرخ آبکاری، می‌توان تخمین زد که کدام نرخ آبکاری می‌تواند برای یک مشخصات یکنواختی ضخامت معین اجرا شود. این امکان برآورد هزینه ساخت را در مرحله طراحی فراهم می کند.

با بهبود طراحی یا استفاده از دیافراگم برای بهبود یکنواختی، می‌توان شبیه‌سازی کرد که این امر تا چه اندازه نرخ آبکاری بالاتر را ممکن می‌سازد و همچنین چقدر در هزینه تولید PCB صرفه‌جویی می‌شود.

در دسترس ساختن شبیه سازی ها با یک برنامه آبکاری

مدل های شبیه سازی آبکاری توسط افرادی با پیشینه الکتروشیمی و درک مدل های شبیه سازی و نرم افزار ایجاد می شود. طراح PCB معمولاً در طراحی الکتریکی ماهر است، اما اطلاعات کمی در مورد فرآیند الکتروشیمیایی که در طول تولید انجام می شود، ندارد.

بسیاری از مزایای شبیه سازی آبکاری مورد بحث قرار گرفته است، اما چگونه می توان مدل های شبیه سازی را برای طراحان PCB در دسترس قرار داد؟

ساختن یک اپلیکیشن

یک راه حل این است که یک برنامه آبکاری با یک رابط کاربری آسان بسازید که به طراحان PCB اجازه می دهد پارامترهای مهم را مطالعه کرده و شبیه سازی ها را با چند کلیک ساده اجرا کنند.

با Application Builder در COMSOL Multiphysics نسخه 5.0 ، کارشناسان شبیه‌سازی می‌توانند این نوع برنامه‌ها را با تلاش بسیار کم ایجاد کنند و شبیه‌سازی‌ها را در اختیار سایر ذینفعان یک سازمان قرار دهند.

یک برنامه آبکاری الکتریکی به طراح PCB اجازه می دهد تا طرح های مختلف (با یا بدون الگوهای ساختگی) را وارد کند، روی محاسبه کلیک کند و یکنواختی ضخامت شبیه سازی شده را تجسم کند. همچنین امکان تغییر ابعاد حمام آبکاری و آندها و همچنین گنجاندن دهانه وجود دارد. با یک کلیک ساده می توان اپلیکیشن را برای بهینه سازی ابعاد و محل قرارگیری دیافراگم نیز اجرا کرد. در نهایت، این برنامه را می توان برای یافتن حداکثر نرخ آبکاری برای مشخصات یکنواختی ضخامت معین استفاده کرد. با این اطلاعات می توان هزینه ساخت را تخمین زد.

رابط کاربری از یک برنامه آبکاری آبکاری. این به طراحان PCB اجازه می‌دهد تا طرح‌های مختلف را آپلود کنند، ابعاد حمام آبکاری را تغییر دهند و (به صورت اختیاری) یک دیافراگم با ابعاد معین قرار دهند.

با یک اپلیکیشن آبکاری، کاربر می تواند با یک کلیک ساده شبیه سازی را اجرا کند. کاربران می توانند یکنواختی ضخامت سیم مسی و اینکه چگونه توسط طرح های مختلف، نرخ آبکاری و چیدمان حمام آبکاری تحت تاثیر قرار می گیرد، مطالعه کنند. علاوه بر این، این برنامه همچنین می تواند برای شبیه سازی ابعاد بهینه دیافراگم برای کاهش تغییرات ضخامت اجرا شود. در نهایت، برنامه را می توان برای محاسبه حداکثر نرخ آبکاری برای یک هدف یکنواخت ضخامت معین استفاده کرد.

نتایجی که اظهار شده

ما در مورد اهمیت شبیه سازی برای PCB های پیشرفته ای که از فناوری آبکاری الگوی مس استفاده می کنند بحث کرده ایم. با اجرای شبیه سازی آبکاری در مرحله طراحی، کاهش عملکرد یا حتی خرابی دستگاه ناشی از تغییر ضخامت ناخواسته در فرآیند آبکاری را می توان کاهش داد.

به طور سنتی، این نوع مدل‌های شبیه‌سازی توسط طراحان PCB انجام نمی‌شود و به احتمال زیاد توسط کارشناسان آبکاری و شبیه‌سازی اجرا می‌شوند. با این حال، با ساختن یک اپلیکیشن آبکاری با رابط کاربری آسان، می‌توانیم شبیه‌سازی‌های آبکاری را برای طراحان PCB بیاوریم. طراحان قادر خواهند بود تا تمامی مزایای شبیه سازی را در کارهای روزانه خود اجرا و استفاده کنند.

در نهایت، می توان با کاهش تعداد نمونه های اولیه و بهینه سازی طراحی و فرآیند برای به حداقل رساندن هزینه های ساخت، در هزینه ها صرفه جویی کرد. علاوه بر این، برنامه‌های مشابه را می‌توان در فرآیند تولید گنجاند و توسط مهندسان و تکنسین‌های مسئول این فرآیند اجرا کرد. این به آنها اجازه می دهد تا تغییرات و کالیبراسیون های کوچکی را در عملکرد آبکاری انجام دهند و همچنین به تضمین کیفیت کمک کنند.