Keseimbangan Tembaga dalam Reflow: Ketika Thieving Membuat Warpage Semakin Buruk

Pencurian tembaga seharusnya berhasil. Strategi ini umum, dan logiknya masuk akal: tambahkan pengisian tembaga ke area yang jarang pada papan sirkuit, seimbangkan kepadatan keseluruhan, dan kurangi stres selama pembuatan. Bagi banyak desain, ini bekerja dengan sempurna. Tetapi ketika diterapkan secara agresif, tanpa memperhatikan perilaku thermal, pencurian berhenti menjadi solusi. Ia malah menjadi sumber masalah yang ingin dipecahkan. Papan yang seharusnya keluar dari oven reflow dalam keadaan rata, malah berputar, komponennya tidak sejajar, dan sambungan solder terganggu.

Kegagalan ini bertentangan dengan intuisi karena penyebab utama warpage bukanlah ketidakseimbangan tembaga yang abstrak, tetapi pemanasan asimetris selama siklus reflow. Penambahan tembaga mengubah massa thermal dan distribusi panas papan. Ketika tembaga tersebut ditempatkan tanpa memahami bagaimana pengaruhnya terhadap simetri pemanasan pada suhu puncak reflow, hal itu menciptakan ketidakseimbangan thermal baru—seringkali lebih buruk dari sebelumnya. Papan berputar saat berbagai daerah memanas dengan kecepatan berbeda dan mempertahankan panas tersebut untuk durasi berbeda, menyebabkan ekspansi diferensial yang tidak dapat diserap substrat tanpa deformasi.

Jawabannya bukanlah meninggalkan keseimbangan tembaga. Melainkan mengakui bahwa simetri stackup, kepadatan tembaga lokal yang terkendali, dan dukungan panel yang tepat jauh lebih efektif daripada pencurian selimut. Pendekatan ini langsung mengatasi asimetri thermal, bukan sekadar memperlakukan distribusi tembaga sebagai latihan geometris murni. Untuk memahami kapan pencurian membuat keadaan semakin buruk, Anda harus terlebih dahulu memahami mekanika thermal yang mengatur papan pada suhu 250°C.

Mekanika Termal dari Warpage Reflow

Warpage pada dasarnya adalah masalah ekspansi diferensial yang terbatas. Papan sirkuit tercetak adalah komposit dari bahan-bahan dengan koefisien ekspansi termal (CTE) yang berbeda, massa termal, dan konduktivitas termal. Ketika komposit ini dipanaskan secara cepat dan tidak merata, ketegangan internal terbentuk. Jika tegangan tersebut melebihi batas elastis substrat pada suhu tinggi, papan akan deformasi. Deformasi ini bisa sementara, mereda saat papan dingin, atau bisa menjadi permanen jika substrat gagal atau proses pendinginan mengunci tegangan tersebut.

Mengapa Perluasan Diferensial Membuat Putaran

CTE suatu bahan menggambarkan seberapa banyak dimensinya berubah per derajat peningkatan suhu. CTE tembaga sekitar 17 ppm/°C. Laminasi FR-4, substrat PCB yang paling umum, memiliki CTE dalam bidang yang serupa yaitu 14-17 ppm/°C, tetapi CTE melalui ketebalan jauh lebih tinggi, seringkali 60-70 ppm/°C. Ketidaksesuaian ini berarti bahwa saat suhu naik, tembaga dan FR-4 ingin mengembang dengan kecepatan berbeda.

Bersatu dalam laminasi, keduanya tidak dapat berkembang secara bebas. Tembaga membatasi FR-4, dan FR-4 membatasi tembaga, menciptakan tegangan internal. Jika papan memanas secara seragam dan tembaga didistribusikan secara simetris melalui stackup, tegangan ini dapat dikelola. Papan mengembang secara merata, simetri stackup menjaga sumbu netral berada di tengah, dan gaya seimbang di atas dan bawah menjaga papan tetap datar.

Pemanasan seragam, bagaimanapun, adalah kemewahan. Ketika satu daerah papan menjadi lebih panas daripada daerah lain, daerah tersebut ingin mengembang lebih banyak. Terikat pada daerah yang lebih dingin, ia tidak dapat melakukannya, dan tegangan terbentuk di sepanjang batas. Jika gradien thermal cukup parah dan selalu diarahkan—satu sisi papan selalu lebih panas daripada yang lain—papan akan melengkung atau berputar untuk meredakan stres tersebut, mencari bentuk keseimbangan baru yang meminimalkan energi strain internal.

Waktu sangat penting. FR-4 menjadi jauh lebih fleksibel saat mendekati dan melebihi suhu transisi kaca (biasanya 170-180°C). Saat puncak reflow, pada atau di atas 240°C, substrat berada pada keadaan paling tidak kaku. Inilah saat di mana kerentanan maksimum terjadi. Ketidakseimbangan thermal pada titik ini akan menyebabkan papan melengkung. Jika lekukan tersebut melebihi titik yield resin yang melembek, papan tidak akan sepenuhnya kembali ke bentuk semula saat dingin.

Tembaga: Massa Termal dan Jalan Panas

Selama reflow, tembaga memainkan dua peran: berfungsi sebagai massa termal dan sebagai jalan panas. Keduanya merupakan konsekuensi dari sifat fisiknya—daya tahan spesifik tinggi dan konduktivitas termal yang sangat tinggi dibandingkan FR-4.

Sebagai massa termal, tembaga menentukan energi yang diperlukan untuk meningkatkan suhunya. Papan dengan pesawat tembaga tebal membutuhkan lebih banyak energi dan waktu untuk mencapai suhu reflow daripada yang dengan jalur yang jarang. Ini berarti area dengan kepadatan tembaga tinggi memanas lebih lambat daripada area dengan kepadatan rendah. Jika sebuah papan memiliki pesawat tembaga besar dan padat di separuh kiri dan hanya jalur ringan di kanan, separuh kiri akan tertinggal dalam suhu selama peningkatan suhu. Pada waktu tertentu, separuh kanan lebih panas, menciptakan asimetri termal yang menyebabkan warping.

Sebagai jalan panas, konduktivitas termal tinggi tembaga (sekitar 400 W/m·K versus 0,3 W/m·K pada FR-4) memungkinkannya mendistribusikan panas dengan cepat. Sebuah pesawat tembaga besar tidak hanya memanaskan secara perlahan karena massanya; ia juga menyebarkan panas dari titik panas lokal, meratakan suhu di seluruh permukaannya. Meskipun ini dapat bermanfaat, ini juga berarti bahwa keberadaan atau tidak adanya tembaga menciptakan zona termal yang berbeda secara mendasar. Wilayah dengan pesawat padat memiliki respons termal yang lambat dan seragam. Wilayah dengan jalur saja memiliki respons cepat dan lokal.

Tembaga tidak hanya menambah massa; secara fundamental mengubah lanskap termal papan. Inilah sebabnya distribusinya harus dipertimbangkan sebagai masalah desain termal, bukan sekadar keseragaman pembuatan.

Bagaimana Distribusi Tembaga Mengatur Simetri Pemanasan

Simetri termal berarti bahwa semua wilayah papan mencapai suhu yang sama hampir bersamaan. Meskipun simetri sempurna tidak mungkin, tujuannya adalah meminimalkan gradien termal, terutama selama fase puncak reflow saat papan paling sesuai.

Distribusi tembaga menentukan simetri ini dengan mendefinisikan peta massa dan konduktivitas termal papan. Papan dengan kepadatan tembaga seragam memiliki respons termal yang relatif seragam, menyerap panas sebagai satu kesatuan yang kohesif. Papan dengan ketidakteraturan konduktivitas tembaga menjadi mozaik zona dengan waktu respon termal yang berbeda—area yang padat tertinggal sementara area yang jarang mendahului.

Masalah ini diperparah pada papan multilapis. Pertimbangkan desain enam lapis di mana pesawat daya hanya menutupi setengah dari area papan. Separuh papan ini memiliki massa termal yang jauh lebih tinggi. Selama reflow, ia memanas lebih lambat, menciptakan gradien yang terus-menerus dari sisi yang jarang ke sisi yang padat. Jika gradien ini berjalan sepanjang panjang papan, ia akan menekuk. Jika memiliki asimetri rotasional, papan akan berputar.

Profil reflow dapat memperburuk ini. Zona rendam dari profil dirancang untuk menyamakan suhu sebelum lonjakan terakhir ke puncak, tetapi tidak bersifat tak terbatas. Jika papan memiliki ketidakseimbangan massa termal yang signifikan, soak mungkin tidak cukup. Saat oven melonjak ke 240-250°C, wilayah dengan massa rendah melewati batas terlebih dahulu sementara wilayah dengan massa tinggi masih mengejar. Ini adalah jendela kritis di mana warpage mulai terjadi.

Begitu zona termal yang berbeda terbentuk, mereka berinteraksi. Pesawat tembaga yang besar di area padat menarik panas ke dalamnya, menjaga area tersebut lebih dingin lebih lama dan memperkuat gradien dengan area sekitar yang jarang. Tanpa buffer termal dari tembaga, area yang jarang memanas dengan cepat. Gradien ini bertahan hingga puncak, dan papan melengkung.

Perangkap Pencurian Selimut

Naluri untuk menerapkan pencurian tembaga berakar pada kekhawatiran fabrikasi yang sah seperti etsa dan pelapisan seragam. Tetapi ketika digunakan sebagai pengisi keseluruhan untuk mencapai persentase target, pencurian sering menciptakan asimetri termal yang justru hendak dicegah.

Ini menjadi masalah.

Ketika Tembaga yang Ditambahkan Menciptakan Ketidakseimbangan Baru

Pencurian meningkatkan massa termal dari area-area di mana itu ditambahkan. Pada sebuah papan dengan tembaga fungsional yang terkonsentrasi di beberapa area dan jalur jarang di area lain, pencurian biasanya hanya ditambahkan ke wilayah yang jarang tersebut. Daerah-daerah tersebut, yang sebelumnya memiliki massa termal rendah dan cepat panas, sekarang menjadi lebih lambat panasnya.

Ini tidak menghilangkan tembaga fungsional yang berat; hanya menggeser keseimbangan termal. Jika pencurian cukup agresif, itu dapat menggeser keseimbangan terlalu jauh. Area yang sebelumnya jarang mungkin sekarang memiliki massa termal yang sebanding dengan area fungsional, tetapi dengan geometri yang berbeda, menciptakan ketidakseimbangan yang baru dan tidak terduga.

Masalahnya bukan hanya pada densitas, tetapi juga lokasi dan niat. Jika pencurian ditempatkan di wilayah yang sudah lebih dingin selama reflow, menambahkan massa termal di sana membuatnya semakin dingin, memperkuat gradien. Strategi pencurian secara umum tidak membedakan ini; mereka menerapkan pengisian berdasarkan target densitas, bukan analisis termal. Hasilnya seringkali lebih banyak tembaga di tempat yang seharusnya tidak.

Mode kegagalan tertentu terjadi ketika pencurian ditambahkan ke lapisan luar langsung di atas pesawat lapisan dalam. Massa permukaan ini menyerap panas dari oven dan menghantarkannya ke dalam. Jika lapisan dalam sudah memiliki massa termal tinggi, pencurian luar meningkatkan total massa tumpukan itu tanpa meningkatkan penetrasi panas ke inti. Inti tertinggal lebih jauh, gradien dari permukaan ke inti meningkat, dan stres melalui ketebalan terbentuk, menyebabkan warping di bidang yang menyebar lebih banyak daripada lapisan permukaan saat mereka mengembang.

Pencurian saat Suhu Puncak

Puncak reflow adalah momen tekanan termal maksimum dan kekakuan substrat minimum. Ketidakseimbangan termal yang ada di sini akan memiliki dampak terbesar karena kemampuan papan untuk menahan deformasi berada pada titik terendah. Pencurian mengunci dalam struktur termal. Jika struktur tersebut menciptakan ketidakseimbangan yang terwujud pada suhu puncak, akan terjadi setiap kali papan melewati oven.

Oven tidak dapat menyelesaikan ketidakseimbangan intrinsik dari konstruksi papan. Jika oven meningkatkan panas untuk menaikkan suhu daerah bermassa tinggi yang dingin, daerah yang merespons secara termal akan melewati target. Papan mencapai puncaknya dengan area yang berbeda pada suhu yang berbeda pula. Area yang lebih panas mengembang lebih banyak, area yang lebih dingin mengembang lebih sedikit. Papan menjadi lunak. Itu berputar. Saat dingin, deformasi bisa menjadi permanen, meninggalkan komponen yang tidak berada di posisi dan sambungan solder yang terganggu—kegagalan yang tidak terlihat pada pengujian listrik standar.

Simetri Stackup: Kontrol Warpage Utama

Cara paling efektif untuk mengendalikan warpage adalah merancang tumpukan papan yang simetris secara termal dan mekanis tentang bidang pusatnya. Ini memastikan bahwa gaya ekspansi termal pada setengah atas papan dicerminkan oleh gaya yang sama dan berlawanan pada setengah bawah. Tanpa momen lentur bersih, papan tetap datar.

Menyeimbangkan Tembaga, Pesawat ke Pesawat

Simetri stackup berarti bahwa untuk setiap fitur tembaga di satu layer, ada fitur yang sesuai di layer yang sejajar jaraknya dari pusat papan. Dalam stackup enam layer, layer dua harus mencerminkan layer lima, dan layer tiga harus mencerminkan layer empat. Jika layer dua berupa pelat tanah solid, layer lima harus berupa pelat tanah solid dengan area dan ketebalan yang sama. Cerminan ini menyeimbangkan massa termal melalui ketebalan papan, memastikan bahwa setengah atas dan bawah memanas dengan kecepatan yang sama. Tegangan dari ketidakcocokan CTE masih ada, tetapi bersimetris, sehingga papan mengembang secara merata tanpa membengkok.

Lapisan luar (satu dan enam) juga harus seimbang. Meskipun tembaga identik seringkali tidak memungkinkan karena penempatan komponen, tujuannya adalah menjaga bobot dan distribusi tembaga secara keseluruhan sedekat mungkin. Pemilihan material juga penting; ketebalan inti dan prepreg harus dicerminkan tentang pusat untuk menyelaraskan sumbu netral mekanis dan termal, memaksimalkan resistansi papan terhadap warpage.

Ketika Modifikasi Stackup Dibatasi

Kesimetrisan sempurna tidak selalu mungkin. Biaya mungkin menetapkan jumlah layer, atau desain mungkin memerlukan plane yang tidak bisa dicerminkan. Papan yang membutuhkan plane ground besar di layer dua tanpa plane yang sesuai di layer lima secara inheren bersifat tidak simetris.

Dalam kasus ini, salah satu pendekatan adalah menggunakan plane parsial yang tidak berfungsi di layer cermin. Imbangan tembaga yang berpotongan atau berjaring yang menutupi area yang sama menambah massa termal dan meningkatkan simetri tanpa menciptakan plane listrik yang solid. Kompromi ini sering mengurangi warpage ke tingkat yang dapat diterima. Perdagangan ini adalah peningkatan penggunaan tembaga untuk fitur yang tidak berfungsi, sebuah biaya yang harus dipertimbangkan terhadap dampak yield dari warpage.

Ketika simetri stackup terganggu, papan menjadi lebih rentan terhadap warpage, dan margin untuk kesalahan sangat tipis. Menambahkan pencurian agresif pada stackup yang sudah tidak simetris sangat berisiko, karena dapat berinteraksi dengan ketidakseimbangan yang sudah ada secara tidak terduga.

Kepadatan Tembaga yang Terkontrol Tanpa Pengisian Agresif

Jika simetri stackup menjadi pertahanan utama, kepadatan tembaga yang terkendali adalah alat taktis untuk mengelola ketidakseimbangan lokal. Tujuannya adalah menambahkan tembaga hanya di tempat yang diperlukan, dalam jumlah yang dibutuhkan, tanpa menciptakan masalah termal baru. Ini membutuhkan pergeseran dari penyeimbangan global ke lokal, dipasangkan dengan dukungan mekanis selama reflow.

Penyeimbangan Lokal di atas Pengisian Global

Penyeimbangan lokal berarti menangani kepadatan tembaga di wilayah tertentu daripada menerapkan pola pengisian seragam di seluruhnya. Proses dimulai dengan mengidentifikasi daerah tembaga yang terkonsentrasi dan jarang, kemudian menggunakan intuisi termal untuk memutuskan di mana penambahan tembaga akan membantu versus yang akan memburuk.

Jika daerah dengan kepadatan sangat rendah dikelilingi oleh daerah dengan kepadatan sedang, menambahkan pencurian yang moderat dapat meredam diskontinuitas termal. Tujuannya bukan untuk mencapai target kepadatan global, tetapi untuk mengurangi gradiennya. Jika daerah sekitar memiliki tembaga 30% dan daerah jarang memiliki 5%, membawanya ke 15% mungkin cukup. Meningkatkannya ke 30% dengan pencurian agresif mungkin melewati tujuan.

Ini juga berarti menghindari pencurian di tempat yang tidak diperlukan. Menambahkan tembaga ke area yang termal stabil hanya untuk memenuhi target kepadatan global secara sembarangan menambah massa termal yang tidak perlu dan menggeser keseimbangan. Ini adalah perangkap aturan desain yang kaku yang mengabaikan distribusi. Geometri pengisian juga penting. Pola bergaris atau titik menciptakan massa termal efektif yang lebih rendah daripada pengisian solid dan memungkinkan kontrol yang lebih halus. Mereka dapat memenuhi minimum fabrikasi tanpa mendominasi perilaku termal sebuah wilayah.

Pendekatan praktis: gunakan pengisi kasar dan berdensity rendah hanya jika diperlukan untuk memenuhi minimum produsen. Justifikasi setiap penambahan tembaga secara regional, bukan sebagai operasi global.

Dukungan Panel dan Peralatan Pembantu

Dukungan panel adalah strategi mekanis yang melengkapi desain termal. Bahkan papan dengan ketidakseimbangan thermal dapat tetap datar jika didukung secara memadai di oven reflow. Dukungan membatasi kemampuan papan untuk berubah bentuk saat melewati kondisi paling rentan dan suhu tinggi.

Sebuah papan yang masih terpasang ke panelnya dibatasi oleh rel panel, yang lebih kaku dan menjaga seluruh rangkaian datar. Oleh karena itu, banyak rakitan keandalan tinggi direflow dalam bentuk panel. Untuk papan individu, pembawa atau fixture reflow memberikan fungsi yang sama. Bingkai kaku ini, yang sering terbuat dari bahan dengan CTE rendah seperti komposit grafit, menjaga papan tetap datar dengan kekuatan mekanis. Perdagangan off-nya adalah massa termal pembawa itu sendiri, yang dapat mempengaruhi profil reflow.

Dukungan tidak menghilangkan ketidakseimbangan thermal; ini menekan warpage yang dihasilkan. Papan masih berada di bawah tekanan internal, yang dapat mempengaruhi sambungan solder. Oleh karena itu, dukungan merupakan strategi mitigasi, bukan solusi sempurna. Hasil terbaik berasal dari meminimalkan ketidakseimbangan thermal melalui desain dan menggunakan dukungan mekanis untuk mengelola risiko residual.

Memutuskan Kapan Pencurian Layak dilakukan

Pencurian tembaga tidak secara inheren buruk. Menjadi masalah ketika diterapkan secara buta, sebagai pengganti desain stackup yang tepat dan kendali densitas. Keputusan untuk menggunakannya harus didasarkan secara sengaja.

Kapan hal ini dibenarkan?

• Untuk memenuhi minimum fabrikasi. Banyak produsen memerlukan densitas tembaga minimum (misalnya, 20-30%) untuk plating yang seragam. Jika sebuah desain di bawah ini, pengisian tertentu wajib dilakukan. Dalam hal ini, tambahkan cukup tembaga untuk memenuhi minimum, menggunakan pola berdensity rendah. Ini adalah kendala fabrikasi, bukan optimisasi thermal.
• Ketika simulasi termal menunjukkan manfaat yang jelas. Dalam beberapa kasus, pemodelan dapat menunjukkan bahwa menambahkan tembaga ke titik panas tertentu dapat meningkatkan massa termalnya cukup untuk menyeimbangkan area tersebut dengan area di sekitarnya. Ini adalah penggunaan thieving yang tepat dan bersifat bedah sebagai alat termal, berlawanan dengan pengisian blanket.
• Ketika papan secara inheren kaku. Papan yang tebal, kecil, atau sangat simetris mungkin dapat menoleransi thieving yang agresif tanpa masalah. Keputusannya didasarkan pada risiko. Jika sebuah papan marginal—tipis, besar, atau asimetris—thieving harus dikendalikan secara ketat.

Prinsip panduan adalah kesederhanaan. Tambahkan tembaga hanya ketika ada kebutuhan yang jelas dan pemahaman yang pasti bahwa itu tidak akan menimbulkan masalah yang lebih buruk. Prioritaskan thieving minimal dan lokal. Utamakan simetri stackup untuk keseimbangan thermal dan gunakan dukungan panel untuk mengelola risiko residual. Perlakukan thieving sebagai koreksi yang ditargetkan, bukan langkah finishing standar. Papan Anda akan muncul dari reflow datar, dan hasil rakitan Anda akan mencerminkan disiplin desain tersebut.