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Calculateur de capacité actuelle Microvia

Calculez la capacité de courant du microvia foré au laser à partir de la section transversale du barillet à l'aide de la norme IPC-2221, en vérifiant la résistance en courant continu, la chute de tension, la densité de courant, l'auto-échauffement et le rapport d'aspect IPC-2226.

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Formule

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}

Référence: 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— Section transversale du canon plaqué (anneau à paroi mince) (mm² / mil²)
D— Diamètre du microvia percé au laser (mm)
t— Épaisseur du placage du canon (µm)
L— Profondeur du microvia (épaisseur diélectrique) (mm)
ΔT— Hausse de température autorisée au-dessus de la température ambiante (°C)
k— Constante de classe de conducteurs IPC-2221
J— Densité de courant dans le baril (A/mm²)

Comment ça marche

Un microvia est un store percé au laser reliant deux couches adjacentes. L'IPC-2226 le définit par la géométrie plutôt que par le processus : 0,15 mm de diamètre ou moins, avec un rapport hauteur/profondeur de 1:1 ou mieux. Son barillet plaqué est un anneau à paroi mince, car le cuivre se dépose sur la paroi du trou foré et occupe la région allant du rayon D/2aˋtD/2 à t au rayon D/2D/2. La zone conductrice est donc $A = \ pi t (D - t) $, ce qui, pour un microvia de 100 µm avec un placage de 18 µm, ne représente qu'environ 0,00464 mm², soit environ un cinquième de ce que propose un via à trou traversant de 0,3 mm. Ce petit chiffre est la raison pour laquelle la capacité actuelle est interrogée.

La norme IPC-2221 donne la capacité de courant du conducteur sous la forme $I = k \ Delta T^ {0,44} A^ {0,725} $ avec AA en mils carrés. Les exposants proviennent d'un ajustement aux données de trace mesurées, et la dépendance à la surface sublinéaire reflète le fait qu'un conducteur plus large possède également une plus grande partie de lui-même loin de toute surface de refroidissement. La constante kk code la facilité avec laquelle la chaleur s'échappe : l'IPC spécifie 0,024 pour les conducteurs internes enterrés dans un stratifié et 0,048 pour les conducteurs externes sur une surface extérieure, soit un facteur de deux pour les conducteurs enterrés.

La valeur qui s'applique à un microvia est vraiment ambiguë, et ce calculateur indique les deux au lieu de prétendre le contraire. Un microvia est enterré, plaidant pour 0,024. Mais il ne mesure également que 50 à 100 µm de long et est lié aux deux extrémités à des pastilles de cuivre qui conduisent bien mieux la chaleur que le stratifié, plaidant pour 0,048. La capacité de microvia mesurée se situe généralement entre les deux limites, et les règles de conception typiques de l'IDH prévoyant un budget de 0,5 à 1 A par microvia se situent près de la limite supérieure.

Les sorties d'auto-échauffement soulignent le point le plus important. La résistance en courant continu est de R=  rho(T)L/AR = \ rho (T) L/A, et comme LL est si petit, un microvia sort bien en dessous du milliohm, soit plusieurs fois moins qu'un via traversant malgré une quantité beaucoup plus faible de cuivre, car le terme de longueur domine. La modélisation du barillet comme un chemin de conduction de la résistance thermique $ \ theta = L/ (k_ {Cu} A) $ donne ensuite une augmentation en régime permanent de millièmes de degré à des courants réalistes. Ce n'est pas le baril qui tombe en panne. Ce qui échoue, c'est l'interface cible-pastille : lors d'un cycle thermique, l'expansion du diélectrique sur l'axe Z éloigne le barillet plaqué du tampon sur lequel il atterrit, et la fiabilité du microvia est qualifiée par des tests de choc thermique selon la norme IPC-TM-650 2.6.27, et non par aucune formule actuelle. Traitez la figure IPC-2221 comme un garde-corps de placage et d'électromigration plutôt que comme une prédiction de la température mesurée.

Exemple Résolu

Étant donné : Microvia de 0,1 mm, placage en barillet de 18 µm, profondeur de 0,075 mm, élévation autorisée de 10 °C, courant nominal de 0,25 A, simple via, température ambiante de 25 °C Étape 1 : coupe transversale du baril

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

$= \ pi \ fois 18 \ fois 82 \ fois 10^ {-12} = 4,636990756698534 \ fois 10^ {-9} $ m² $ = 0,004636990756698534$ mm²

Converti en unités, l'IPC-2221 prévoit : $ \ frac {4.63699 \ times 10^ {-9}} {6,4516 \ times 10^ {-10}} = 7,18736$ mil²

Étape 2 : capacité de courant IPC-2221, les deux classes Iinterne=0,024  fois100,44  fois7,178360,725=0,024  fois2,754229  fois4,178702=0,2761999651813298I_ {interne} = 0,024 \ fois 10^ {0,44} \ fois 7,17836^ {0,725} = 0,024 \ fois 2,754229 \ fois 4,178702 = 0,2761999651813298 A Iexterne=0,048  fois2,754229  fois4,178702=0,5523999303626596I_ {externe} = 0,048 \ fois 2,754229 \ fois 4,178702 = 0,5523999303626596 A

La réponse honnête pour un microvia se situe entre 0,28 A et 0,55 A.

Étape 3 : résistance au courant continu à 25 °C

$ \ rho = \ rho_ {20} [1 + \ alpha (T - 20)] = 1,724 \ fois 10^ {-8} \ fois [1 + 0,00393 \ fois 5] = 1,757877 \ fois 10^ {-8} $ Ω·m

R=  frac rhoLA=  frac1,757877  times10−8  times75  times10−64.636991  times10−9=2,8432393  times10−4 \  Omega=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 Étape 4 : Chute et dissipation à 0,25 A V=IR=0,25  fois2,8432393  fois10−4=0,07108098329155854V = IR = 0,25 \ fois 2,8432393 \ fois 10^ {-4} = 0,07108098329155854 mV P=I2R=0,0625  fois2,8432393  fois10−4=0,017770245822889635P = I^2 R = 0,0625 \ fois 2,8432393 \ fois 10^ {-4} = 0,017770245822889635 mW Étape 5 : Auto-échauffement du baril

$ \ theta = \ frac {L} {k_ {Cu} A} = \ frac {75 \ times 10^ {-6}} {385 \ times 4,636991 \ times 10^ {-9}} = 42,011$ °C/W

$ \ Delta T = P \ theta = 1,7770 \ fois 10^ {-5} \ fois 42,011 = 0,0007465480051396345$ °C

Sept dix millièmes de degré. La limite de capacité IPC-2221 et l'augmentation réelle de la température du baril décrivent deux choses totalement différentes.

Étape 6 : Contrôles de géométrie et de densité J=  fracIA=  frac0,250,004636991=53,914J = \ frac {I} {A} = \ frac {0,25} {0,004636991} = 53,914 A/mm²

Rapport hauteur/largeur =  frac0.0750.1=0,75= \ frac {0.075} {0.1} = 0,75 — à la valeur préférée de la plupart des fabricants, et dans la limite 1:1 IPC-2226.

Résultat : 0,28 A de capacité conservatrice par via, 0,55 A optimiste, une résistance de 0,284 mΩ et un auto-échauffement négligeable. Pour un rail de 2 A, utilisez huit à dix microvias.

Conseils Pratiques

  • ✓Budgétisez environ 0,5 A par microvia de 100 micromètres dans le cadre d'une pratique HDI normale, puis vérifiez-le par rapport aux deux limites ici. Si votre exigence se situe au-dessus du chiffre de la classe externe, ajoutez des vias plutôt que de discuter de la constante
  • ✓Utilisez les sorties du tableau plutôt que la mise à l'échelle manuelle. La résistance est divisée par N et la capacité multipliée par N, mais le partage du courant entre les microvias parallèles n'est jamais parfaitement uniforme, alors conservez une marge de 20 à 30 %
  • ✓En ce qui concerne l'alimentation, les microvias sont vraiment excellents : leur courte longueur leur confère une résistance inférieure à celle d'un via à trous traversants malgré leur section transversale plus petite. La limite réside dans la fiabilité mécanique et non dans les performances électriques
  • ✓Maintenez le rapport hauteur/largeur égal ou inférieur à 0, 75:1 si possible. C'est le paramètre de géométrie unique qui influe le plus sur le rendement et la fiabilité à long terme, et il ne coûte rien au moment de la conception
  • ✓Vérifiez la densité de courant ainsi que le courant total. Au-delà d'environ 100 A par millimètre carré, l'électromigration et les vides de placage deviennent un problème qu'aucun calcul d'élévation de température ne révélera

Erreurs Fréquentes

  • ✗En utilisant la totalité de la surface forée PI-D-squared-over-4 au lieu de l'anneau à paroi mince, un microvia standard est un barillet creux, et non un bouchon en cuivre solide, et l'hypothèse solide surestime la surface d'environ cinq fois
  • ✗En considérant la capacité IPC-2221 comme une prédiction de température mesurée, il s'agit d'une règle de traçage empirique appliquée à la section transversale d'un baril. Le calculateur montre à la fois l'auto-échauffement du baril et le baril lui-même, et ils ne sont pas d'un ordre de grandeur en désaccord pour une raison
  • ✗Sans tenir compte du rapport hauteur/largeur : au-delà de 1:1, le trou percé au laser se rétrécit trop brusquement pour que la chimie du placage atteigne uniformément le tampon cible, et le mince placage à la base devient le point de défaillance, indépendamment de ce que dit la formule actuelle
  • ✗Empilage de microvias pour économiser de la zone de routage sur un trajet à courant élevé : les interfaces empilées accumulent des contraintes thermomécaniques et constituent le mode de défaillance HDI le plus courant lors d'un cycle thermique. Échelonnez-les là où la disposition le permet
  • ✗Conception en fonction de l'épaisseur nominale du placage — La classe 2 de la norme IPC-6012 autorise un minimum de 18 micromètres contre une moyenne de 20 micromètres, et la capacité s'échelonne en fonction de la surface à la puissance de 0,725. Le placage dans le pire des cas est donc le chiffre à prendre en compte lors de la conception

Foire Aux Questions

Avec un placage de 18 micromètres et une élévation de 10 degrés C, le coefficient de conducteur interne conservateur est d'environ 0,28 A et le conducteur externe d'environ 0,55 A. La plupart des règles de conception HDI prévoient 0,5 à 1 A par microvia, ce qui se situe au niveau ou légèrement au-dessus de la limite supérieure, ce qui est raisonnable compte tenu de la capacité des électrodes à absorber la chaleur, mais mérite d'être vérifié près de la limite.
Parce que la résistance est égale à rho fois la longueur divisée par la surface, et le terme de longueur gagne. Un microvia possède environ un cinquième de la surface en cuivre d'un trou traversant de 0,3 mm, mais sa longueur n'est que d'environ 5 %, de sorte que sa résistance est plusieurs fois inférieure. C'est pourquoi les microvias sont excellents pour fournir de l'énergie dans les piles HDI.
Parce que le fût n'est vraiment pas le goulot d'étranglement thermique. À 0,25 A, la dissipation est inférieure à 0,02 mW et le chemin de conduction vers les pastilles est très court. Le chiffre de capacité IPC-2221 est une règle de traçage empirique appliquée à la section transversale du canon et est intentionnellement prudente : considérez-le comme un garde-corps de placage et d'électromigration, et non comme une prédiction de la température mesurée.
La norme IPC-2226 fixe la limite entre profondeur et diamètre de 1:1 et la plupart des fabricants préfèrent 0, 75:1 ou moins. De plus, le trou percé au laser se rétrécit trop brusquement pour que la chimie du placage atteigne le tampon cible avec une épaisseur uniforme, et le mince placage à la base devient le point de défaillance de la fiabilité.
Échelonnez-les là où vous le pouvez. Les microvias empilés permettent de raccourcir le trajet à faible résistance et d'économiser de la surface de routage, mais les interfaces empilées accumulent des contraintes thermomécaniques et constituent le mode de défaillance HDI le plus courant lors d'un cycle thermique. Les microvias échelonnés avec un tampon solide entre les couches sont nettement plus robustes.
En utilisant la valeur prudente de 0,28 A par via à une élévation de 10 degrés C, 2 A nécessite huit trous, et arrondir à dix donne une marge de variation de placage et de partage inégal du courant. Il est courant de placer un groupe serré sous le plot, et les sorties de résistance du réseau et de chute de tension vous permettent de vérifier simultanément la précision du rail fourni.

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