高精度線路制作影響因素分析

黃先廣 周 飛 鐘岳松

（深圳市牧泰萊電路技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518103）

0 前言

現(xiàn)在電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，同時也促使了印制電路板（PCB）的迅猛發(fā)展。PCB線路的精細化程度已經(jīng)由毫米級逐步轉(zhuǎn)向微米級尺度，由傳統(tǒng)≥75 μm（3 mil）的常規(guī)線路逐步發(fā)展到≤50 μm（2 mil）的精細線路。特別是隨著5G技術(shù)的發(fā)展，通訊領(lǐng)域高頻高速板對線寬精度要求非常嚴。細線路的制作主要依賴于生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)兩大關(guān)鍵因素。精密生產(chǎn)設(shè)備通常價格昂貴，利用常規(guī)PCB生產(chǎn)設(shè)備制作精細線路，工藝技術(shù)就顯得尤為重要。PCB生產(chǎn)流程長、涉及工序多、且工藝較為復(fù)雜，僅線路制作這一項就涉及工程設(shè)計、基銅銅厚控制、電鍍銅厚以及電鍍均勻性控制、干膜解析度控制、蝕刻均勻性控制等多種因素。

通訊5G天線板客戶產(chǎn)品對線寬要求非常嚴格，要求整板線寬公差為±15 μm。文章結(jié)合我公司實際情況針對線路制作精度的影響因素做了簡單的分析，并調(diào)研各影響因素的差異值，推導(dǎo)我公司線路精度制作能力，并與產(chǎn)品實驗數(shù)據(jù)進行對比。

1 線路制作影響因素分析

影響線路制作能力影響因素較多，下面主要從圖形設(shè)計（線路間距、圖形類型、工程補償）、電鍍流程（電鍍銅厚極差影響）、圖形蝕刻制作（圖形轉(zhuǎn)移、抗蝕層、蝕刻方向、蝕刻均勻性）等方面進行分析，如圖1所示。

圖1 線路制作影響因素分析

1.1 圖形設(shè)計對線寬的影響

（1）線路間距對線寬蝕刻量影響，一般而言，最小間距處蝕刻量小易線寬超標，孤立線及大間距處蝕刻量大易過蝕線小。設(shè)計不同線間距的線路進行蝕刻測量側(cè)蝕量，測試參數(shù)：49 μm基銅貼干膜LDI曝光與酸性蝕刻，得到孤立線寬平均值與58 μm間距線寬平均值相差為23 μm。

（2）PCB設(shè)計有不同結(jié)構(gòu)的圖形，如線、盤、孔等。圖形結(jié)構(gòu)不同，蝕刻藥水在圖形中流動擴散也不同，蝕刻差異大，一般盤蝕刻量比線路大，更加大了與線路線寬的差異。線路距離NPTH（非鍍通孔）太近時，蝕刻量大，會對線路公差造成很大的影響。

（3）工程補償。蝕刻后線寬一般小于設(shè)計線寬，一般盤要求按線頂管控，線路按加單邊毛邊管控。為了制作好的線路圖形，需要對設(shè)計線路圖形進行補償加大，并且不同圖形類型、不同線間距、不同流程設(shè)計工程補償值也不同，所以工程補償值對線路精度有著關(guān)鍵性的影響。

1.2 電鍍銅厚極差對線寬的影響

蝕刻時，蝕刻液是從露銅表面開始向內(nèi)部（或向下）逐步進行蝕刻的，而向內(nèi)部（下面）垂直蝕刻的同時，也向側(cè)面銅箔進行水平蝕刻。垂直蝕刻和水平蝕刻速率的比值是一定的，可用蝕刻因子來進行表征。在線路蝕刻過程中，蝕刻銅越厚，垂直蝕刻所需時間越長，同時水平側(cè)蝕越多，線寬過蝕量越大。銅厚不均勻的話，如果以銅較厚處作為基準，則銅較薄處會出現(xiàn)過度蝕刻現(xiàn)象，形成線細，甚至開路，如果以銅較薄處作為基準，則銅厚較厚處會存在蝕刻不凈現(xiàn)象，形成短路。

電鍍時由于電流分布不均，造成電鍍銅厚極差，從而蝕刻時因線路銅厚不一致造成線寬不一致。對比測量VCP（垂直連續(xù)電鍍線）電鍍和龍門線電鍍銅厚差異，VCP銅厚28 μm銅厚極差在7 μm內(nèi)；龍門線電鍍銅厚極差為18 μm。設(shè)計同樣圖形線路，對應(yīng)基銅為35 μm和18 μm，按35 μm蝕刻速度，18 μm的線寬比35 μm線寬小18 μm，故銅厚極差7 μm /18 μm對應(yīng)蝕刻線寬差異為7 μm/18 μm。

1.3 圖形蝕刻制作對線寬的影響

1.3.1 圖形轉(zhuǎn)移對線寬的影響

銀鹽片是通過激光光繪機直接繪制得到，其圖形的精度取決于光繪機的分辨率。由于其藥膜是黑色的不透光，因此不利于目視對位。重氮片是利用銀鹽片為底片再經(jīng)過曝光顯影復(fù)制得到的，其圖形精度不如銀鹽片，但其藥膜是棕色透明的，便于目視對位。激光曝光機的分辨率可以調(diào)節(jié)，分辨率愈高，則圖形的精度愈高。一般光繪底片曝光線路其精度為7.6 μm。

隨著技術(shù)發(fā)展，LDI（激光直接成像）應(yīng)用越來越普及，價格也越來越便宜，一般線路板廠都配備LDI曝光機，LDI曝光機精度遠大于光繪菲林制作精度，其精度一般為±7.6 μm。

1.3.2 抗蝕層對線寬的影響

由于線間距、銅厚和抗蝕層厚度的不同，線路間“溝槽”的縱橫比[（銅厚+抗蝕層厚度）/線間距）]不同，造成擴散層厚度的不同，擴散層越厚，蝕刻速率越慢，擴散層越薄，蝕刻速率越快。故當(dāng)干膜厚度越厚，藥水交換越困難，容易導(dǎo)致蝕刻線寬差異超標，間距制作能力就越差。在內(nèi)層精細線路制作中，濕膜與干膜相比，具有成本低，填充性好，成像分辨率高等優(yōu)勢。濕膜一般10～15 μm，干膜常用是40 μm，濕膜一般側(cè)蝕量比較小，因為抗蝕層薄，藥水更容易進入間隙蝕刻。但干膜制作出來的蝕刻因子一般要優(yōu)于濕膜，因為干膜會在線二端對線頂有一定保護。

1.3.3 蝕刻線路走向?qū)€寬的影響

在進行不同放板方向?qū)€寬的影響的測試實驗中發(fā)現(xiàn)，線路走向與蝕刻搖擺方向平行時，有利于線路的制作，線寬均勻性較好，反之較差，成45°介于二者之間。隨著間距的增大，線路走向?qū)€寬的影響越來越??；對于間距≥125 μm 的大間距線路而言，線路走向?qū)€寬的影響在±2.5 μm以內(nèi)；但當(dāng)間距＜125 μm 時，線路走向?qū)€寬的影響在±5 μm以內(nèi)，間距越小影響越大。

1.3.4 蝕刻均勻性對線寬的影響

蝕刻過程中由于噴淋方式、搖擺方式、滾輪排布方式等不同，蝕刻均勻性存在差異，不同位置蝕刻掉的銅厚也存在差異，從而對蝕刻線寬造成影響。同時上表面由于“水池效應(yīng)”蝕刻更加不均勻，但不同的設(shè)備影響程度不一樣。表1是真空蝕刻機與普通蝕刻機蝕刻性能對比。差異值與設(shè)備定期保養(yǎng)和調(diào)整有很大關(guān)系（見表1所示）。

表1 真空蝕刻機與普通蝕刻機蝕刻均勻性對比

2 線寬公差控制與線寬制作理論計算

綜合分析以上影響因素，根據(jù)公差控制影響因素以及誤差傳遞原理，對應(yīng)的線寬公差理論計算公式為：線寬公差=圖形設(shè)計影響+SQRT（圖形蝕刻制作影響2+銅厚極差影響2）

說明：（1）圖形設(shè)計影響：指設(shè)計不同間距、圖形線寬蝕刻差異的影響，即孤立線寬平均值與密集小間距線寬平均值的差值/2；（2）圖形蝕刻制作影響：指相同間距、圖形下無銅厚極差的板（內(nèi)層芯板）經(jīng)過蝕刻后整板蝕刻線寬公差，取最大值與最小值之差/2，包含底片、抗蝕層、曝光機、顯影機、蝕刻均勻性、蝕刻走向等影響；（3）銅厚極差影響：指相同圖形、間距、測量位置下不同銅厚下線寬平均值差異，主要是指電鍍銅厚極差影響。

根據(jù)IPC2級、IPC3級標準，線寬公差必須控制在±20%以內(nèi)，故根據(jù)線寬公差控制能力可以反推實際線路的制作能力。線寬制作能力=線寬公差/20%。

3 高精度線路制作建議

為了適應(yīng)客戶對線寬高精度要求，可以在下面幾方面進行改善研究。

（1）不同間距側(cè)蝕量不一樣，測試出相關(guān)蝕刻量的差別，工程利用GENESIS腳本進行動態(tài)補償，減少間距對蝕刻線寬的差異；

（2）提高電鍍線電鍍銅厚均勻性或引用VCP線，減少銅厚極差對蝕刻線寬的差異；

（3）采用薄干膜（25 μm）或使用薄基銅制作，減少線路間“溝槽”的縱橫比對蝕刻線寬的差異；

（4）引入真空蝕刻機，減少圖形設(shè)計和蝕刻等對線路公差的影響；

（5）使用LDI曝光機，蝕刻時板線路與走向斜45度放板等。

4 調(diào)研分析與產(chǎn)品制作

利用上面因素分析，對我公司線路制作能力進行調(diào)研，理論得出制作能力。然后選擇最佳設(shè)備工藝路線進行產(chǎn)品制作。

4.1 調(diào)研分析

按負片制作流程，通過各種測試調(diào)研圖形設(shè)計、圖形蝕刻制作、銅厚極差對線寬影響如表2所示，并按上理論公式推算線寬公差制作能力。調(diào)研分析能力見表3所示。

表3 按客戶產(chǎn)品制作能力調(diào)研分析

流程：18 μm基銅+龍門線電鍍+LDI曝光+真空蝕刻，制作分析能力如表2。常規(guī)制作時線寬公差能力±25 μm較大，主要是58 μm間距與孤立線線寬差異大，通過特殊補償方式可以減少這種極差。

表2 線路制作能力分析

客戶產(chǎn)品設(shè)計線寬0.60 mm，間距大于0.38 mm，要求線寬公差±0.015 mm，根據(jù)客戶產(chǎn)品要求，擬選取產(chǎn)品制作流程：18 μm基銅+VCP電鍍+LDI曝光+真空蝕刻。

4.2 產(chǎn)品制作

通訊5G天線板客戶有款產(chǎn)品要求整板線寬公差為±15 μm，線間距大于0.38 mm。通過上面理論分析，選取第（2）個流程可以滿足客戶要求。故產(chǎn)品制作時選取，基銅18 μm進行負片電鍍酸性蝕刻，選取線路制作流程為：層壓→鉆孔→沉銅→電鍍加厚（VCP電鍍）→外層線路（LDI曝光）→酸性蝕刻（真空蝕刻）→后流程。

電鍍后完成銅厚平均值41 μm，蝕刻線寬測量數(shù)據(jù)平均值0.596 mm，結(jié)果滿足±15 μm線寬公差要求，Cpk（過程能力指數(shù)）為1.35，滿足客戶要求。

5 總結(jié)

隨著PCB行業(yè)特別是通訊5G領(lǐng)域的發(fā)展，PCB對精細線路以及線寬公差的要求也會愈加嚴格，需提高精細線路的制作能力。以上分析是結(jié)合我公司實際生產(chǎn)情況，針對高精度線路制作技術(shù)影響因素進行了分析，對于高精度線路制作研究方向有一定的參考價值，由于作者水平有限，歡迎大家批評指正。