基于真空蝕刻線的外層蝕刻模型建立

姚明飛 陳 磊 冷 科

（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

1 背景及現(xiàn)狀描述

在PCB板制造中，蝕刻工藝目前應(yīng)用最為廣泛的是采用光致抗蝕劑覆蓋銅面，通過曝光轉(zhuǎn)移圖形至板面保護(hù)需要的銅面，然后以化學(xué)反應(yīng)的方式將覆銅板上不需要的部分銅予以除去，使其形成所需的電路圖形[1]。蝕刻工藝直接影響圖形品質(zhì)，是PCB板制作流程中的關(guān)鍵制程之一。隨著微電子技術(shù)發(fā)展，高精度、高密度線路圖形的制作對蝕刻工藝也提出更高、更嚴(yán)的技術(shù)要求[2]。

目前在面對愈發(fā)復(fù)雜的板件環(huán)境、高要求的阻抗控制時(shí)，對外層蝕刻工序造成了極大的困擾，同時(shí)調(diào)研現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)外層蝕刻參數(shù)以及線寬調(diào)整依賴員工經(jīng)驗(yàn)，未能基于產(chǎn)品類型的變化適時(shí)調(diào)整。因此，充分了解和掌握蝕刻液中的蝕刻機(jī)理，并通過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測定出不同銅厚規(guī)格對應(yīng)的工藝參數(shù)，并能夠精準(zhǔn)量化各變量帶來的影響，才能更好地把控外層蝕刻這一關(guān)鍵工序。

2 機(jī)理分析及蝕刻模型建立

2.1 機(jī)理分析

真空蝕刻線為水平傳送線，采用上下噴淋蝕刻液的方式完成蝕刻過程，并通過板件上方負(fù)壓口抽去表面藥水而減少了水池效應(yīng)的發(fā)生，具有良好的蝕刻均一性。

通常真空蝕刻采用酸性氯化銅蝕刻藥水。在傳統(tǒng)認(rèn)知范圍里，Cu原子活性在H之后，銅無法與酸反應(yīng)形成銅離子。而銅元素外層電子排布為[Ar]3d104s1，同時(shí)由于d電子的屏蔽作用較弱，表明銅元素可以有多種價(jià)態(tài)，且使得銅元素在自身反應(yīng)活性較弱的情況下，能夠在酸性蝕刻液體系中，利用Cu2+的氧化而溶解金屬銅形成Cu+（見式1所示），而Cu+在酸性體系中不穩(wěn)定，容易被氧化形成Cu2+（見式2所示）。

在真實(shí)的反應(yīng)體系中，Cu2+和 Cu+并不簡單地以CuCl、CuCl2的形式存在，且由于銅元素的電荷性質(zhì)決定，銅離子具有較強(qiáng)的配位能力，在極性溶劑中（水）會與HCl形成一個(gè)絡(luò)合物，因而完整的反應(yīng)方程式見式（3）和式（4）所示。

其中，H2CuCl4與H2CuCl3實(shí)際是CuCl、CuCl2與2HCl的絡(luò)合產(chǎn)物，且HCl會隨著反應(yīng)的進(jìn)行而消耗。

2.2 關(guān)鍵因子篩選與控制

2.2 .1關(guān)鍵影響因子篩選

通過上述蝕刻制程分析，會對蝕刻品質(zhì)造成影響的因素可以分為三大類：

（1）化學(xué)藥水的控制參數(shù)，包括銅離子、pH、HCl、溫度；

（2）機(jī)器部分的控制參數(shù)，包括噴管形式以及壓力、水平傳送速度；

（3）蝕刻效果控制方面，包括蝕刻因子的控制（藥水密度）等。

基于上述分析，影響蝕刻效果的關(guān)鍵影響因素的控制能力對于蝕刻線體的穩(wěn)定性有著決定性的作用，因此需要控制上述因子的穩(wěn)定性，使得我們能夠通過銅厚確定蝕刻時(shí)間，即水平傳送速度，達(dá)到理想的蝕刻效果。

2.2.2 關(guān)鍵因子控制

基于上述分析，影響外層蝕刻的關(guān)鍵影響因素包括：銅厚、蝕刻線傳送速度（簡稱：蝕刻線速）、蝕刻壓力、銅離子含量、密度、鹽酸濃度、溫度，控制這些因子的穩(wěn)定對于提升目前的加工良率具有重要意義。借鑒前輩對于蝕刻影響因素的研究分析，蝕刻線速是影響蝕刻效果的關(guān)鍵因子。在此基礎(chǔ)上，控制蝕刻線體藥水穩(wěn)定，默認(rèn)噴壓、溫控，將上述因子對于線寬的影響做成常量，可以輸出銅厚與蝕刻線速的關(guān)系公式。嚴(yán)格控制蝕刻液穩(wěn)定性，可以更精確地輸出銅厚與蝕刻線速的關(guān)系公式，即合格率更高的首件配方。

為控制蝕刻液穩(wěn)定性，輸出以下措施：

（1）增加測樣頻率，實(shí)時(shí)了解蝕刻液濃度變化；

（2）收緊添加下限，控制蝕刻液濃度趨近要求中值；

（3）優(yōu)化自動添加裝置檢測精度，自動添加符合預(yù)期需求。

2.3 首件配方擬合

目前文件對首件蝕刻參數(shù)有大體規(guī)范，但是與現(xiàn)場實(shí)際操作有較大出入，較大比例依賴員工經(jīng)驗(yàn)，因而急需輸出可靠的首件蝕刻參數(shù)。在穩(wěn)定蝕刻液的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場加工板件線寬數(shù)據(jù)（銅厚30～100 μm），篩選線寬能力控制在±5%的加工參數(shù)，與銅厚對應(yīng)擬合。如圖1所示，銅厚與線速呈現(xiàn)良好的冪函數(shù)關(guān)系，同時(shí)根據(jù)此擬合關(guān)系，輸出詳細(xì)的銅厚均值對應(yīng)蝕刻線速的首件參數(shù)，驗(yàn)證此首件邏輯的適用性。

圖1 首件參數(shù)擬合公式圖

上述首件蝕刻參數(shù)整體邏輯較為簡單，僅需要考慮銅厚均值即可，但是外層板件一般為電鍍板，鍍層均一性問題值得關(guān)注。而在蝕刻文件規(guī)范中，對于板件單面銅厚極差大于8 μm時(shí)，需要開啟預(yù)蝕刻，局部噴淋，僅蝕刻銅厚部分，但是對于預(yù)蝕刻在不同蝕刻參數(shù)下?lián)p銅量沒有詳細(xì)的說明，需要員工試驗(yàn)。

設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案驗(yàn)證預(yù)蝕刻對銅厚的影響，采用光銅板在不同線速條件下過預(yù)蝕刻，分正反面統(tǒng)計(jì)預(yù)蝕刻損銅量，數(shù)據(jù)如圖2所示。

統(tǒng)計(jì)分析圖2數(shù)據(jù)，預(yù)蝕刻上下面不同蝕刻速度對應(yīng)的損銅量如圖3（a）。同時(shí)基于蝕刻線速套用到首件配方中，將預(yù)蝕刻轉(zhuǎn)化為銅厚與線速變化量的關(guān)系，如圖3（b）所示。

小結(jié)：

銅厚極差≤8 μm時(shí)，首件配方為：

Y＝72.854×X－0.764

銅厚極差＞8 μm時(shí)，開啟預(yù)蝕刻默認(rèn)模式2，首件配方為：

Y＝72.854×X－0.764－5.1414×X－0.866

（設(shè)定蝕刻速度為Y，銅厚取均值為X）

2.4 調(diào)整系數(shù)驗(yàn)證

在現(xiàn)場板件加工過程中，首件線寬數(shù)據(jù)偏離中值甚至不合格，應(yīng)當(dāng)快速準(zhǔn)確地進(jìn)行調(diào)整，使得整個(gè)蝕刻體系處于中值附近波動。而線寬不符分為兩種情況：（1）整體偏大或偏??；（2）雙面偏差不一致。針對各種情況的特征，有調(diào)整線速以及調(diào)整上、下蝕刻噴壓兩種方法。因而需要量化這兩種方法對于線寬的影響。

2.4.1 線速對線寬的影響

通過梯度銅厚的驗(yàn)證板，調(diào)整不同的蝕刻參數(shù)收集不同規(guī)格的線寬數(shù)據(jù)，如圖4所示，以單位線速變化量導(dǎo)致的線寬變化量作為調(diào)節(jié)系數(shù)，與線速對應(yīng)的銅厚數(shù)據(jù)擬合。

圖4 線速對應(yīng)線寬數(shù)據(jù)圖

如圖5所示，線寬調(diào)整系數(shù)與銅厚呈現(xiàn)良好的擬合關(guān)系，系數(shù)K＝22.901×X－1.775（X為銅厚）。

圖5 銅厚對應(yīng)調(diào)整系數(shù)圖

2.4.2 噴壓對線寬的影響

當(dāng)線寬數(shù)據(jù)一面合格一面不合格，甚至發(fā)生一面偏大，一面偏小的情況時(shí)，需要調(diào)整對應(yīng)面的蝕刻噴壓以獲得均一的線寬數(shù)據(jù)。通過梯度銅厚驗(yàn)證板在相同線速條件下，調(diào)整不同的上下蝕刻噴壓，收集線寬數(shù)據(jù)，如圖6所示。

通過區(qū)分上下噴壓對應(yīng)的線寬變化系數(shù)，擬合可知上下噴壓呈現(xiàn)不同的線性關(guān)系，如圖6所示，噴壓的調(diào)整需要區(qū)分上下面。

圖6 相同線速下不同噴壓對應(yīng)線寬數(shù)據(jù)圖 【（單位：銅厚、線寬μm，噴壓Mpa（kg/cm2）】

小結(jié)：

基于現(xiàn)場可能出現(xiàn)的異常情況，輸出了較為完整的調(diào)整邏輯。

整體偏差采用線速調(diào)整，調(diào)整線速為：

（設(shè)定蝕刻速度為Y，銅厚取均值為X，線寬實(shí)測減標(biāo)準(zhǔn)差值為D）

圖7 銅厚對應(yīng)噴壓調(diào)整系數(shù)圖

2.5 模型邏輯建立

以上述研究為基礎(chǔ)，量化蝕刻過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，輸出智能化控制的實(shí)現(xiàn)邏輯。由于外層線路線寬值與外層阻抗息息相關(guān)，而阻抗數(shù)據(jù)也是外層蝕刻效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因而對于蝕刻模型的反饋需要兼顧阻抗數(shù)據(jù)，且需要對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分級。輸出模型邏輯如下：

第一步：輸出初始配方。

蝕刻速度依據(jù)下面公式進(jìn)行計(jì)算：Y ＝72.854×X－0.764（30≤X≤100時(shí)，啟用此公式）

第二步：判斷是否開啟預(yù)蝕刻（單面銅厚極差＞8 μm，極差較大面向上）。

若是，開啟預(yù)蝕刻（默認(rèn)模式2），極差較大面向上，對應(yīng)改變線速如下：

Y＝72.854×X－0.764－5.1414×X－0.866

若否，按第一步輸出初始配方加工

第三步：分上下面給出首件實(shí)測線寬對比目標(biāo)線寬差值百分?jǐn)?shù)，如圖8所示，對應(yīng)流程第四、第五步。

圖8 線寬百分比表圖

第四步：配方反饋流程。

獲取線寬數(shù)據(jù)，計(jì)算單面線寬差值的均值D（實(shí)測值-標(biāo)準(zhǔn)值），計(jì)算批量蝕刻噴壓（蝕刻1、2同步調(diào)整）：

上：P＝2.8＋（0.1/（0.5172×X－5.9286））×D

下：P＝1.8＋（0.1/（0.8241×X－8.9079））×D

重新按照蝕刻1、2噴壓，線速不變加工首件

第五步：線寬、阻抗數(shù)據(jù)對比調(diào)整邏輯（如表1所示），線寬差值與阻抗差值為整板均值（包括上下面）.

表1 線寬阻抗邏輯圖

若為1、5，計(jì)算線速：Y＝72.854×X－0.764－（22.901×X－1.775）×D1

若為2、4，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)

若為3、6，按初始配方加工

流程結(jié)束。

設(shè)定蝕刻速度為Y，銅厚取均值為X，線寬實(shí)測減標(biāo)準(zhǔn)差值為D，噴壓為P。

預(yù)留阻抗反饋線寬邏輯窗口，顯示線寬調(diào)整目標(biāo)與調(diào)整線速。

3 總結(jié)

（1）目前首件配方以及線速調(diào)整系數(shù)已應(yīng)用至現(xiàn)場，跟進(jìn)現(xiàn)場加工板件，首件合格率以及線寬極差具有明顯降低，如首件合格率從63%提高到78%，線寬極差從3～8降到1～2間。

（1）噴壓、預(yù)蝕刻參數(shù)已開始在現(xiàn)場進(jìn)行小批量驗(yàn)證，并對現(xiàn)場起到了很好的指導(dǎo)意義。