PCB圖形轉(zhuǎn)移線干膜寬損耗的研究

李長生

（深圳市深聯(lián)電路有限公司，廣東 深圳 518000）

1 前言

隨著密集線路PCB的高速發(fā)展，75 μm/75 μm，100 μm/100 μm線寬/線間的設(shè)計已是主流產(chǎn)品，如手機板、高檔游戲板等，在制作這些密集線路PCB過程中，線寬/間控制極為重要。根據(jù)IPC標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)線路線寬/間按±20%的公差控制，阻抗線路線寬/間按±10%的公差控制。細(xì)小的線寬/間設(shè)計，高要求公差范圍，成為PCB線路制作的難點。

PCB制作線寬/間控制，涉及多方面的內(nèi)容，如菲林線寬/間補償、干膜線寬損耗、蝕刻側(cè)蝕等，本文將對PCB制作干膜線寬損耗進(jìn)行淺析，通過正交實驗法分析干膜線寬損耗的影響因素及控制參數(shù)。

2 干膜線寬損耗對PCB線寬的影響

2.1 菲林線寬補償

PCB制作線寬/間控制，因為存在干膜線寬損耗、導(dǎo)線蝕刻側(cè)蝕因素，需要對菲林線寬進(jìn)行補償，即菲林線寬補償可分解為干膜線寬損耗量線寬補償與導(dǎo)線側(cè)蝕量線寬補償。菲林線寬補償可能通過式（1）計算：

式中：F——菲林線寬補償量；

X——側(cè)蝕量；

N——干膜線寬損耗量。

通過不斷的實驗總結(jié)，我公司現(xiàn)行外層（正片）菲林線寬補償與導(dǎo)線底銅厚關(guān)系如表1所示。

表1 導(dǎo)線底銅厚度與菲林線寬補償?shù)年P(guān)系

2.2 側(cè)蝕量和蝕刻系數(shù)

根據(jù)IPC-A-600H標(biāo)準(zhǔn)，蝕刻系數(shù)為蝕刻深度與側(cè)向蝕刻量（簡稱“側(cè)蝕量”）之比，如圖1所示，計算公式如式（2）：

式中：X——側(cè)蝕量；

T——蝕刻系數(shù)；

V——蝕刻深度；

W1——導(dǎo)線上幅線寬；

W2——導(dǎo)線上幅線寬；

W——設(shè)計線寬。

圖1 蝕刻狀態(tài)示意圖

蝕刻系數(shù)反映了蝕刻線的蝕刻能力，蝕刻系數(shù)越大，蝕刻能力越強，側(cè)蝕量越小。當(dāng)蝕刻系數(shù)穩(wěn)定條件下，線路銅厚越大，側(cè)蝕量越大。根據(jù)IPC標(biāo)準(zhǔn)，“在采購文件規(guī)定導(dǎo)體設(shè)計寬度，通常測量導(dǎo)體基體底部的寬度，以確定是否符合‘最小導(dǎo)體寬度’的要求”；W2為蝕刻點為100%條件下完成蝕刻的導(dǎo)線下幅線寬，W為蝕刻點＜100%條件下完成蝕刻的導(dǎo)線下幅線寬，W3為蝕刻點＞100%條件下完成蝕刻的導(dǎo)線下幅線寬；為實現(xiàn)導(dǎo)線粗糙度小于設(shè)計導(dǎo)線寬度的20%，彌補蝕刻線蝕刻系數(shù)偏小的缺陷，常以80%～85%蝕刻點條件進(jìn)行PCB蝕刻，以獲得設(shè)計線寬W的目標(biāo)。

導(dǎo)線蝕刻存在側(cè)蝕，因此須對菲林線寬進(jìn)行補償，以加大抗蝕刻層的寬度。

2.3 干膜線寬損耗與PCB線寬

在現(xiàn)有菲林線寬補償條件下，根據(jù)三者的關(guān)系，干膜線寬損耗量越大，消耗干膜線寬損耗線寬補償就越多，分配到蝕刻導(dǎo)線側(cè)蝕量補償就越少，出現(xiàn)線幼或蝕刻不凈的風(fēng)險就越大，蝕刻品質(zhì)就越難保證；例如：在17.1 μm底銅厚條件下，設(shè)計線寬/間距為100 μm/100 μm，菲林線寬補償19 μm，即菲林線寬/間距為119 μm/81.25 μm，干膜顯影后膜線寬損耗為12.5 μm，則正常圖形電鍍形成抗蝕刻層寬度為106.25 μm；為實現(xiàn)設(shè)計線寬/間100 μm/100 μm、按導(dǎo)線單邊側(cè)蝕量3.125 μm計算，在常規(guī)蝕刻能力蝕刻系數(shù)在2.0條件下，蝕刻深度為6.25 μm，遠(yuǎn)達(dá)不到蝕刻深度17.1 μm的要求，從而出現(xiàn)蝕刻不凈。

為防止干膜線寬損耗過大減小導(dǎo)線蝕刻側(cè)蝕線寬補償量，避免蝕刻過程中出現(xiàn)蝕刻不凈或線幼問題，干膜線寬損耗控制顯得尤為重要。

3 干膜線寬損耗的因素

干膜線寬損耗發(fā)生在圖形轉(zhuǎn)移工序，可能與以下原因有關(guān)：

（1）曝光機型，曝光機光源照射角度影響干膜受光面積，從而影響干膜線寬/間的大小，曝光機型可分為平行光機與散射光機；

（2）曝光能量，曝光能量以曝光尺衡量；

（3）顯影點。

4 實驗設(shè)計

4.1 實驗流程

干膜線寬損耗實驗流程如圖2所示。

圖2 干膜線寬損耗實驗流程

4.2 影響因素表

干膜線寬損耗影響因素各取兩個水平，具體如表2所示。

表2 干膜線寬損耗影響因素表

4.3 正交實驗表

采用三因素兩水平全因子實驗,共進(jìn)行8次實驗，具體如下表3所示。

表3 正交實驗表

5 實驗結(jié)果與討論

5.1 正交實驗數(shù)據(jù)收集與極差分析

每個實驗測量10個線寬數(shù)據(jù)并與菲林補償后線寬進(jìn)行比較，計算線寬損耗平均值，具體如表4所示。

表4 正交實驗數(shù)據(jù)收集與極差分析

極差R反映了各因素對線寬損耗的貢獻(xiàn)，R越大，則此因素對線寬損耗的貢獻(xiàn)就越大。從R計算的結(jié)果可知，對線寬損耗影響的程度為：曝光機型＞曝光能量＞顯影點。

5.2 干膜線寬損耗主效應(yīng)圖

圖3試驗數(shù)據(jù)表明：控制線寬損耗最佳組合是平行曝光機/曝光能量7格/顯影點50%，在其組合下干膜線寬損耗平均值5.84 μm最小，其中曝光機型的影響最大。

圖3 線寬損耗主效應(yīng)圖

5.3 顯著性分析

表5中，曝光機P值＝0.000＜0.05，以95%的置信度認(rèn)為曝光機型因素為顯著因素；曝光能量P值＝0.000＜0.05，以95%的置信度認(rèn)為曝光能量因素為顯著因素；顯影點P值＝0.08＞0.05，以95%的置信度認(rèn)為顯影點因素為非顯著因素。

5.4 影響干膜線寬損耗的因素直觀圖

干膜線寬損耗主要取決于曝光機型、曝光能量的大小，利用相關(guān)因素對干膜損耗的曲線圖能很好驗證正交實驗中各因素對干膜線寬損耗的的影響。曝光機中常用水平只有平行光機與散射光機兩種，不再進(jìn)行實驗驗證。現(xiàn)只對曝光能量進(jìn)行實驗驗證。

5.4.1 曝光能量對干膜線寬損耗的影響

在平行光機，顯影點50%條件下，曝光能量與線寬損耗的關(guān)系如圖4所示。

驗證實驗可知，曝光能量越大，干膜線寬損耗越大，但在實際過程中發(fā)現(xiàn)，曝光能量為5格及6格曝光尺時，均出現(xiàn)了不同程度的顯影后干膜發(fā)白問題，曝光能量10格及11格曝光尺時，出現(xiàn)了曝光不良問題。因此，使用7格曝光尺的曝光能量，能保持干膜線寬損耗的可控性。

表5 干膜線寬損耗顯著性分析表

圖4 曝光能量與干膜線寬損耗的關(guān)系圖

6 結(jié)論

干膜線寬損耗大小，對蝕刻過程中線寬/間的控制產(chǎn)生重要的影響，在現(xiàn)有的菲林線寬/間補償條件下，干膜線寬損耗越小，形成導(dǎo)線蝕刻側(cè)蝕線寬補償量就越大，出現(xiàn)蝕刻不凈或線幼問題的風(fēng)險就越小。通過實驗，線寬損耗最小因素組合（平行曝光機/曝光能量7格/顯影點50%）。我司在生產(chǎn)密集線路75 μm/75μm，87.5 μm/87.5 μm，100 μm/100 μm線寬/間距設(shè)計的產(chǎn)品時，嚴(yán)格依據(jù)以上實驗結(jié)果執(zhí)行，確保了PCB線寬/間制作高品質(zhì)。

[1]張馳. 六西格瑪黑帶叢書(修訂版) 第二版[M]. 廣東：廣東經(jīng)濟出版社,2007,507.

[2]IPC-A-600H.