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Calculadora de capacidade de corrente Microvia

Calcule a capacidade de corrente de microvia perfurada a laser a partir da seção transversal do barril usando IPC-2221, com resistência DC, queda de tensão, densidade de corrente, autoaquecimento e verificações de proporção 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}

Referência: 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— Seção transversal do cilindro revestido (anel de parede fina) (mm² / mil²)
D— Diâmetro da microvia perfurada a laser (mm)
t— Espessura do revestimento do barril (µm)
L— Profundidade da microvia (espessura dielétrica) (mm)
ΔT— Aumento de temperatura permitido acima do ambiente (°C)
k— Constante de classe de condutor IPC-2221
J— Densidade de corrente no barril (A/mm²)

Como Funciona

Uma microvia é uma cortina perfurada a laser por meio da conexão de duas camadas adjacentes. O IPC-2226 o define por geometria e não por processo: 0,15 mm de diâmetro ou menos, com uma proporção de profundidade para diâmetro de 1:1 ou melhor. Seu barril revestido é um anel de parede fina, pois o cobre se deposita na parede do furo perfurado e ocupa a região do raio $ D/2 - t $ até $ D/2 $. A área condutora é, portanto, $A =\ pi t (D - t) $, que para uma microvia de 100 µm com revestimento de 18 µm é apenas cerca de 0,00464 mm² — aproximadamente um quinto do que uma via de orifício passante de 0,3 mm oferece. Esse pequeno número é o motivo pelo qual a capacidade atual é questionada.

O IPC-2221 fornece capacidade de corrente do condutor como $ I = k\ Delta T^ {0,44} A^ {0,725} $ com $ A $ em mils quadrados. Os expoentes vêm de um ajuste aos dados de rastreamento medidos, e a dependência da área sublinear reflete que um condutor mais amplo também tem mais de si mesmo longe de qualquer superfície de resfriamento. A constante $ k $ codifica a facilidade com que o calor escapa: o IPC especifica 0,024 para condutores internos enterrados em laminado e 0,048 para condutores externos em uma superfície externa, uma redução de fator de dois para serem enterrados.

O valor que se aplica a uma microvia é genuinamente ambíguo, e esta calculadora relata ambos em vez de fingir o contrário. Uma microvia está enterrada, argumentando por 0,024. Mas também tem apenas 50 a 100 µm de comprimento e está ligado em ambas as extremidades a almofadas de cobre que conduzem o calor muito melhor do que o laminado, argumentando por 0,048. A capacidade medida da microvia geralmente fica entre os dois limites, e as regras típicas de projeto de IDH, orçando 0,5 a 1 A por microvia, ficam próximas à superior.

As saídas de autoaquecimento tornam o ponto mais importante. A resistência DC é R= rho(T)L/AR =\ rho (T) L/A e, como LL é tão pequena, uma microvia sai bem abaixo de um miliohm — várias vezes menor do que uma via de passagem, apesar de ter muito menos cobre, já que o termo de comprimento domina. Modelar o barril como um caminho de condução da resistência térmica $\ theta = L/ (k_ {Cu} A) $ então dá um aumento de estado estacionário de milésimos de grau em correntes realistas. O barril não é o que falha. O que falha é a interface da almofada alvo: no ciclo térmico, a expansão do eixo z do dielétrico afasta o cilindro revestido da almofada em que ele pousa, e a confiabilidade da microvia é qualificada pelo teste de choque térmico de acordo com o IPC-TM-650 2.6.27, não por qualquer fórmula atual. Trate a figura do IPC-2221 como uma grade de proteção de galvanização e eletromigração, em vez de uma previsão da temperatura medida.

Exemplo Resolvido

Fornecido: Microvia de 0,1 mm, revestimento cilíndrico de 18 µm, profundidade de 0,075 mm, elevação permitida de 10 °C, corrente de projeto de 0,25 A, via única, ambiente de 25 °C Etapa 1: seção transversal do cilindro

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

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

Convertido para as unidades 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

Etapa 2: capacidade de corrente IPC-2221, ambas as classes Iinterno=0,024 vezes100,44 times7,187360,725=0,024 times2,754229 times4,178702=0,2761999651813298I_ {interno} = 0,024\ vezes 10^ {0,44}\ times 7,18736^ {0,725} = 0,024\ times 2,754229\ times 4,178702 = 0,2761999651813298 A Iexterno=0,048 times2,754229 times4,178702=0,5523999303626596I_ {externo} = 0,048\ times 2,754229\ times 4,178702 = 0,5523999303626596 A

A resposta honesta para uma microvia está entre 0,28 A e 0,55 A.

Etapa 3: resistência DC 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 Etapa 4: queda e dissipação 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 Etapa 5: aquecimento automático do 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/L  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

Sete dez milésimos de um grau. O limite de capacidade do IPC-2221 e o aumento real da temperatura do barril estão descrevendo duas coisas totalmente diferentes.

Etapa 6: verificações de geometria e densidade

$ J =\ frac {I} {A} =\ frac {0,25} {0,004636991} = 53,914$ A/mm²

Proporção = frac0,0750.1=0,75=\ frac {0,075} {0.1} = 0,75 — no valor que a maioria dos fabricantes prefere e dentro do limite de 1:1 do IPC-2226.

Resultado: Capacidade conservadora de 0,28 A por via, 0,55 A otimista, resistência de 0,284 mΩ e autoaquecimento insignificante. Para um trilho de 2 A, use de oito a dez microvias.

Dicas Práticas

  • ✓Faça um orçamento de aproximadamente 0,5 A por microvia de 100 micrômetros na prática normal de IDH e, em seguida, compare-o com os dois limites aqui. Se seu requisito estiver acima do valor da classe externa, adicione vias em vez de discutir sobre a constante
  • ✓Use as saídas da matriz em vez de escalar manualmente. A resistência se divide por N e a capacidade se multiplica por N, mas o compartilhamento de corrente entre microvias paralelas nunca é perfeitamente uniforme, então mantenha uma margem de 20 a 30 por cento
  • ✓Para fornecimento de energia, as microvias são genuinamente excelentes — seu comprimento curto oferece menor resistência do que uma via de orifício passante, apesar da seção transversal menor. A limitação é a confiabilidade mecânica, não o desempenho elétrico
  • ✓Mantenha a proporção igual ou inferior a 0, 75:1 se puder. É o parâmetro geométrico único que mais afeta o rendimento e a confiabilidade a longo prazo, e não custa nada no momento do projeto
  • ✓Verifique a densidade da corrente, bem como a corrente total. Acima de aproximadamente 100 A por milímetro quadrado, a eletromigração e os vazios de revestimento se tornam uma preocupação que nenhum cálculo de aumento de temperatura revelará

Erros Comuns

  • ✗Usando toda a área perfurada PI-D quadrada sobre 4 em vez do anel de parede fina, uma microvia padrão é um barril oco, não um tampão de cobre sólido, e a suposição sólida exagera a área em aproximadamente cinco vezes
  • ✗Tratar a capacidade do IPC-2221 como uma previsão de temperatura medida — é uma regra de rastreamento empírico aplicada à seção transversal de um barril. A calculadora mostra isso e o autoaquecimento real do barril, e eles discordam em ordens de magnitude por um motivo
  • ✗Ignorando a proporção: além de 1:1, o furo perfurado a laser se afunila muito bruscamente para que a química do revestimento alcance a almofada alvo de maneira uniforme, e o revestimento fino na base se torna o ponto de falha, independentemente do que diz a fórmula atual
  • ✗Empilhamento de microvias para economizar área de roteamento em um caminho de alta corrente — interfaces empilhadas acumulam estresse termomecânico e são o modo de falha de HDI mais comum em ciclos térmicos. Escalone-os onde o layout permitir
  • ✗Projetado de acordo com a espessura nominal do revestimento — o IPC-6012 Classe 2 permite um mínimo de 18 micrômetros contra uma média de 20 micrômetros, e a capacidade é dimensionada como área até a potência de 0,725, então, na pior das hipóteses, o revestimento é o número a ser comparado ao projeto

Perguntas Frequentes

Com revestimento de 18 micrômetros e um aumento de 10 graus C, o valor conservador do condutor interno é de cerca de 0,28 A e o limite do condutor externo de cerca de 0,55 A. A maioria das regras de projeto de HDI orçam 0,5 a 1 A por microvia, que fica no limite superior ou ligeiramente acima — razoável considerando o quão bem as almofadas absorvem o calor, mas vale a pena verificar se está perto do limite.
Porque a resistência é rho vezes o comprimento dividido pela área, e o termo do comprimento vence. Uma microvia tem aproximadamente um quinto da área de cobre de uma via com orifício de 0,3 mm, mas tem apenas cerca de 5% do comprimento, então ela acaba tendo resistência várias vezes menor. É por isso que as microvias são excelentes para fornecimento de energia em acumuladores de HDI.
Porque o cano não é genuinamente o gargalo térmico. A 0,25 A, a dissipação está abaixo de 0,02 mW e o caminho de condução até as almofadas é muito curto. O valor da capacidade do IPC-2221 é uma regra de rastreamento empírico aplicada à seção transversal do cano e é intencionalmente conservador — trate-o como uma grade de proteção de galvanização e eletromigração, não como uma previsão da temperatura medida.
O IPC-2226 define a profundidade até o diâmetro de 1:1 como limite e a maioria dos fabricantes prefere 0, 75:1 ou menos. Além disso, o orifício perfurado a laser se afunila muito para que a química do revestimento alcance a almofada alvo com espessura uniforme, e o revestimento fino na base se torna o ponto de falha de confiabilidade.
Escalone-os sempre que puder. As microvias empilhadas oferecem um caminho mais curto de baixa resistência e economizam área de roteamento, mas as interfaces empilhadas acumulam estresse termomecânico e são o modo de falha de HDI mais comum em ciclos térmicos. Microvias escalonadas com uma almofada sólida entre as camadas são substancialmente mais robustas.
Usando o conservador 0,28 A por via a um aumento de 10 graus C, 2 A precisa de oito vias, e o arredondamento para dez dá margem para variação de revestimento e compartilhamento desigual de corrente. Um conjunto apertado sob a almofada é uma prática padrão, e a resistência da matriz e as saídas de queda de tensão permitem que você verifique a precisão do trilho fornecido ao mesmo tempo.

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