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Calculadora de capacidad de corriente Microvia

Calcule la capacidad de corriente de las microvías perforadas con láser a partir de la sección transversal del cañón utilizando el IPC-2221, con comprobaciones de resistencia a corriente continua, caída de voltaje, densidad de corriente, autocalentamiento y relación de aspecto IPC-2226.

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Fórmula

A=π t (D−t),I=k ΔT0.44Amil20.725,k={0.024internal0.048externalA = \pi\, t\,(D - t), \qquad I = k\,\Delta T^{0.44} A_{\text{mil}^2}^{0.725}, \qquad k = \begin{cases} 0.024 & \text{internal} \\ 0.048 & \text{external} \end{cases}

Referencia: IPC-2221B (conductor current capacity); IPC-2226 (HDI design, microvia definition and aspect ratio); IPC-6012 (plating thickness classes); IPC-TM-650 2.6.27 (microvia thermal shock)

A— Sección transversal del cañón chapado (anillo de pared delgada) (mm² / mil²)
D— Diámetro de microvía perforado con láser (mm)
t— Grosor del revestimiento del barril (µm)
L— Profundidad de microvía (espesor dieléctrico) (mm)
ΔT— Aumento de temperatura permitido por encima de la temperatura ambiente (°C)
k— Constante de clase de conductor IPC-2221
J— Densidad de corriente en el cañón (A/mm²)

Cómo Funciona

Una microvía es una persiana perforada con láser que conecta dos capas adyacentes. El IPC-2226 la define por su geometría y no por un proceso: 0,15 mm de diámetro o menos, con una relación de aspecto entre profundidad y diámetro de 1:1 o superior. Su cañón chapado es un anillo de pared delgada, ya que el cobre se deposita en la pared del pozo perforado y ocupa la región desde el radio D/2 - t $ hasta $ D/2 $. Por lo tanto, el área conductora es $A =\ pi t (D - t) $, lo que para una microvía de 100 µm con un revestimiento de 18 µm es de solo 0,00464 mm², aproximadamente una quinta parte de lo que ofrece una vía pasante de 0,3 mm. Ese número tan pequeño es la razón por la que se pregunta por la capacidad actual.

El IPC-2221 indica que la capacidad de corriente del conductor es $I = k\ Delta T^ {0.44} A^ {0.725} $ con AA en milésimas cuadradas. Los exponentes provienen de un ajuste a los datos de rastreo medidos, y la dependencia del área sublineal refleja que un conductor más ancho también tiene más de sí mismo lejos de cualquier superficie de enfriamiento. La constante kk codifica la facilidad con la que se escapa el calor: el IPC especifica 0,024 para los conductores internos enterrados en un laminado y 0,048 para los externos que se encuentran en una superficie exterior, lo que representa una reducción del factor de dos para los conductores enterrados.

El valor que se aplica a una microvía es realmente ambiguo, y esta calculadora informa de ambos en lugar de fingir lo contrario. Una microvía está enterrada, argumentando a favor de 0,024. Pero también mide entre 50 y 100 micras de largo y está adherida por ambos extremos a placas de cobre que conducen el calor mucho mejor que el laminado, lo que sugiere 0,048. La capacidad medida de las microvías generalmente se sitúa entre los dos límites, y las reglas de diseño típicas del HDI, que calculan entre 0,5 y 1 A por microvía, se sitúan cerca del límite superior.

Lo más importante son las salidas que se autocalientan. La resistencia a corriente continua es R= rho(T)L/AR =\ rho (T) L/ A, y dado que LL es tan pequeña, una microvía produce menos de un miliohmio, varias veces más baja que una vía pasante, a pesar de tener mucho menos cobre, ya que la longitud es la que predomina. Al modelar el cañón como una trayectoria de conducción de la resistencia térmica $\ theta = L/ (k_ {Cu} A) $, se obtiene un aumento en estado estacionario de milésimas de grado con corrientes realistas. El cañón no es lo que falla. Lo que falla es la interfaz entre el objetivo y la almohadilla: en los ciclos térmicos, la expansión del dieléctrico en el eje Z hace que el cañón chapado se separe de la almohadilla en la que cae, y la fiabilidad de la microvía se califica mediante pruebas de choque térmico según el IPC-TM-650 2.6.27, no mediante ninguna fórmula actual. Considera la figura del IPC-2221 como si se tratara de una barrera de electromigración y galvanoplastia y no como una predicción de la temperatura medida.

Ejemplo Resuelto

Dado: Microvía de 0,1 mm, revestimiento cilíndrico de 18 µm, profundidad de 0,075 mm, aumento permitido de 10 °C, corriente de diseño de 0,25 A, vía única, 25 °C a temperatura ambiente Paso 1: sección transversal del barril

$A =\ pi t (D - t) =\ pi\ times 18\ times 10^ {-6}\ times (100 - 18)\ times 10^ {-6} $

$=\ pi\ times 18\ times 82\ times 10^ {-12} = 4.636990756698534\ times 10^ {-9} $ m² =0.004636990756698534= 0.004636990756698534 mm²

Convertido a las unidades que IPC-2221 espera:  frac4.63699 times10−96.4516 times10−10=7,18736\ frac {4.63699\ times 10^ {-9}} {6.4516\ times 10^ {-10}} = 7,18736 mil²

Paso 2: Capacidad actual del IPC-2221, ambas clases Iinternal=0.024 times100.44 times7.187360.725=0.024 times2.754229 times4.178702=0.2761999651813298I_ {internal} = 0.024\ times 10^ {0.44}\ times 7.18736^ {0.725} = 0.024\ times 2.754229\ times 4.178702 = 0.2761999651813298 A Iexternal=0.048 times2.754229 times4.178702=0.5523999303626596I_ {external} = 0.048\ times 2.754229\ times 4.178702 = 0.5523999303626596 A

La respuesta honesta para una microvía se encuentra entre 0,28 A y 0,55 A.

Paso 3: resistencia a corriente continua a 25 °C

$\ rho =\ rho_ {20} [1 +\ alpha (T - 20)] = 1.724\ times 10^ {-8}\ times [1 + 0.00393\ times 5] = 1.757877\ times 10^ {-8} $ Ω·m

R= frac rhoLA= frac1.757877 times10−8 times75 times10−64.636991 times10−9=2.8432393 times10−4Omega=0.28432393316623417R =\ frac {\ rho L} {A} =\ frac {1.757877\ times 10^ {-8}\ times 75\ times 10^ {-6}} {4.636991\ times 10^ {-9}} = 2.8432393\ times 10^ {-4}\\ Omega = 0.28432393316623417 mΩ Paso 4: Caída y disipación a 0,25 A V=IR=0.25 times2.8432393 times10−4=0.07108098329155854V = IR = 0.25\ times 2.8432393\ times 10^ {-4} = 0.07108098329155854 mV P=I2R=0.0625 times2.8432393 times10−4=0,017770245822889635P = I^2 R = 0.0625\ times 2.8432393\ times 10^ {-4} = 0,017770245822889635 mW Paso 5: calentamiento automático del barril  theta= fracLkCuA= frac75 times10−6385 times4.636991 times10−9=42.011\ theta =\ frac {L} {k_ {Cu} A} =\ frac {75\ times 10^ {-6}} {385\ times 4.636991\ times 10^ {-9}} = 42.011 °C/W  DeltaT=P theta=1,7770 times10−5 times42.011=0,0007465480051396345\ Delta T = P\ theta = 1,7770\ times 10^ {-5}\ times 42.011 = 0,0007465480051396345 °C

Siete diezmilésimas de grado. El límite de capacidad del IPC-2221 y el aumento real de la temperatura del barril describen dos cosas completamente diferentes.

Paso 6: Comprobaciones de geometría y densidad J= fracIA= frac0.250.004636991=53.914J =\ frac {I} {A} =\ frac {0.25} {0.004636991} = 53.914 A/mm²

Relación de aspecto = frac0.0750.1=0.75=\ frac {0.075} {0.1} = 0.75: el valor que prefieren la mayoría de los fabricantes y dentro del límite IPC-2226 de 1:1.

Resultado: 0,28 A de capacidad conservadora por vía, 0,55 A de optimismo, resistencia de 0,284 mΩ y autocalentamiento insignificante. Para un raíl de 2 A, utilice de ocho a diez microvías.

Consejos Prácticos

  • ✓Presupueste aproximadamente 0,5 A por cada 100 micrómetros de microvía en la práctica normal del HDI, y compruébelo con ambos límites aquí. Si su requerimiento está por encima de la cifra de la clase externa, añada vías en lugar de discutir sobre la constante
  • ✓Utilice las salidas de la matriz en lugar de escalar manualmente. La resistencia se divide por N y la capacidad se multiplica por N, pero el intercambio de corriente entre microvías paralelas nunca es perfectamente uniforme, así que mantenga un margen del 20 al 30 por ciento
  • ✓Para el suministro de energía, las microvías son realmente excelentes: su corta longitud proporciona una resistencia menor que la de una vía pasante, a pesar de su sección transversal más pequeña. La limitación es la fiabilidad mecánica, no el rendimiento eléctrico
  • ✓Mantén la relación de aspecto igual o inferior a 0. 75:1 si puedes. Es el único parámetro geométrico que más afecta al rendimiento y a la fiabilidad a largo plazo, y no cuesta nada durante el diseño
  • ✓Compruebe la densidad de corriente y la corriente total. Por encima de aproximadamente 100 A por milímetro cuadrado, la electromigración y los huecos en las placas se convierten en una preocupación que ningún cálculo del aumento de temperatura revelará

Errores Comunes

  • ✗Si se utiliza toda el área perforada PI-D cuadrada sobre 4 en lugar del anillo de pared delgada, una microvía estándar es un cañón hueco chapado, no un tapón de cobre sólido, y la suposición sólida exagera el área aproximadamente cinco veces
  • ✗Al tratar la capacidad del IPC-2221 como una predicción de temperatura medida, se trata de una regla de rastreo empírica que se aplica a la sección transversal de un cañón. La calculadora muestra que tanto ésta como el barril se autocalientan, y no coinciden en varios órdenes de magnitud por una razón
  • ✗Haciendo caso omiso de la relación de aspecto (más allá de 1:1), el orificio perforado con láser se estrecha demasiado para que la química del revestimiento llegue a la almohadilla objetivo de manera uniforme, y el delgado revestimiento de la base se convierte en el punto de falla, independientemente de lo que diga la fórmula actual.
  • ✗Apilamiento de microvías para ahorrar área de enrutamiento en una ruta de alta corriente: las interfaces apiladas acumulan tensión termomecánica y son el modo de fallo de HDI más común en ciclos térmicos. Colóquelas de forma escalonada donde el diseño lo permita
  • ✗Diseño con un grosor de revestimiento nominal: la clase 2 del IPC-6012 permite un mínimo de 18 micrómetros frente a un promedio de 20 micrómetros, y la capacidad se escala según el área hasta la potencia de 0,725, por lo que el peor de los casos es el número con el que se debe diseñar

Preguntas Frecuentes

Con un revestimiento de 18 micrómetros y un aumento de 10 grados C, la cifra conservadora del conductor interno es de unos 0,28 A y el límite del conductor externo de unos 0,55 A. La mayoría de las normas de diseño del HDI prevén entre 0,5 y 1 A por microvía, que se sitúa en el límite superior o ligeramente por encima de él, algo razonable dado lo bien que las almohadillas absorben el calor, pero vale la pena verificarlo cerca del límite.
Porque la resistencia es rho multiplicado por la longitud dividida por el área, y el largo plazo gana. Una microvía tiene aproximadamente una quinta parte del área de cobre de una vía pasante de 0,3 mm, pero solo mide alrededor del 5 por ciento de longitud, por lo que termina teniendo una resistencia varias veces menor. Esta es la razón por la que las microvías son excelentes para suministrar energía en pilas HDI.
Porque el barril no es realmente el cuello de botella térmico. Con 0,25 A, la disipación es inferior a 0,02 mW y la ruta de conducción hacia las almohadillas es muy corta. La cifra de capacidad del IPC-2221 es una regla empírica que se aplica a la sección transversal del cañón y es intencionadamente conservadora: considérala como una barrera de protección contra el revestimiento y la electromigración, no como una predicción de la temperatura medida.
El IPC-2226 establece una relación profundidad/diámetro de 1:1 como límite y la mayoría de los fabricantes prefieren 0, 75:1 o menos. Más allá de eso, el orificio perforado con láser se estrecha demasiado para que la composición química del revestimiento alcance la almohadilla deseada con un grosor uniforme, y el delgado revestimiento de la base se convierte en el punto de fallo de fiabilidad.
Haz que se tambaleen donde puedas. Las microvías apiladas ofrecen una ruta más corta y con menor resistencia y ahorran espacio de enrutamiento, pero las interfaces apiladas acumulan tensión termomecánica y son el modo de fallo del HDI más común en ciclos térmicos. Las microvías escalonadas con una almohadilla sólida entre las capas son considerablemente más robustas.
Si se utiliza el conservador 0,28 A por vía con un aumento de 10 grados C, 2 A necesita ocho vías y, al redondear a diez, se obtiene un margen para la variación del revestimiento y un reparto desigual de la corriente. La práctica habitual es colocar una placa compacta debajo de la almohadilla, y las salidas de resistencia y caída de tensión del conjunto permiten comprobar la precisión del raíl suministrado al mismo tiempo.

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