生產(chǎn)過(guò)程中的PCB線寬分析研究

李 堅(jiān)，茍 輝，張國(guó)榮，于 梅

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安710068）

隨著信號(hào)傳輸速度迅猛提高、高頻電路的廣泛應(yīng)用，印制電路板（PCB）的集成程度急劇提升，如層數(shù)的增加、器件的密集、線寬線距細(xì)化等[1]。相應(yīng)的，PCB生產(chǎn)制作的安全可靠性要求也越來(lái)越高，PCB線寬的保證是電路連接可靠性、阻抗板阻抗值滿足要求的關(guān)鍵。為了更好地控制實(shí)際生產(chǎn)線寬、提前進(jìn)行線寬工藝補(bǔ)償，為生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)，在印制板生產(chǎn)過(guò)程中，研究各工序?qū)€寬的生產(chǎn)加工能力、建立各工序?qū)€寬生產(chǎn)的影響關(guān)系十分必要[2]。

PCB生產(chǎn)過(guò)程中影響線寬變化的主要工序有工程前處理、光繪、圖形轉(zhuǎn)移和蝕刻[3]。本文分別從該4道工序出發(fā)，研究其對(duì)線寬的影響關(guān)系。

1 工程處理對(duì)PCB線寬的影響

工程處理就是根據(jù)車間生產(chǎn)加工能力，將EDA設(shè)計(jì)好的PCB文件，通過(guò)工程軟件進(jìn)行工程處理，制作成車間生產(chǎn)的指導(dǎo)性文件，以完成印制板的生產(chǎn)。作為PCB生產(chǎn)前的第一道工序，工程文件制作的合理性、正確性直接決定板子的“生命”。在工程處理線寬時(shí)，根據(jù)車間生產(chǎn)能力，對(duì)板面上過(guò)細(xì)的線條會(huì)加以補(bǔ)償，如將127μm（5 mil）及以下線寬工程補(bǔ)償?shù)?37.16μm（5.4 mil），以便為后續(xù)生產(chǎn)留足夠的加工余量。為盡可能詳盡地分析不同線寬在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的變化情況，本文選取含有多種線寬且線條分布較均勻的十層板作為研究對(duì)象，板內(nèi)各層線寬情況如表1所示。其中，L3層和L5層板內(nèi)均為137.16μm的線條，L3層線條數(shù)量稀少、位置孤立，L5層線條充盈且分布均勻。

2 光繪對(duì)PCB線寬的影響

將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，采用光學(xué)原理在銀鹽膠片上得到與工程文件尺寸相同、圖形一致的影像，這一過(guò)程稱為“光繪”。其加工流程為接收工程文件→光繪處理→生成gbr文件→排版→生成光柵文件→繪圖。工程文件制作完成后，就需將工程文件繪制成光繪底片。該工序是影響線條寬度變化最重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樵诶L制底片時(shí)，繪制圖像不僅與線條分布、線條寬度、光繪補(bǔ)償值有關(guān)，顯影液的使用時(shí)間對(duì)繪制線寬也有著很大影響。本文以更換一次顯影液為光繪生產(chǎn)周期（2周），按照2 d小批量繪制一次，記錄每次光繪機(jī)繪制的各層同位置線條寬度。

本單位使用SLEC-9600型激光光繪機(jī)進(jìn)行底片生產(chǎn)，底片線寬采用OLYMPUS DSX10-TF金相顯微鏡測(cè)量，如圖1所示。隨機(jī)記錄光繪周期內(nèi)各層同位置的線條寬度，由于數(shù)據(jù)量龐大，這里只記錄每層線寬的5組數(shù)據(jù)并取其平均值，記錄數(shù)據(jù)如表2所示。為便于后續(xù)線寬分析，取6次光繪的平均線寬作為光繪分析線寬。

圖1 底片線寬測(cè)量

從表2可以看出，在一次顯影液更換周期內(nèi)，隨著光繪繪制次數(shù)的增加，同等條件下繪制的線條寬度逐漸減小，這與顯影液使用時(shí)長(zhǎng)及溶液活性有關(guān)。在顯影液更換周期內(nèi)，可以保證光繪繪制的線寬要大于設(shè)計(jì)線寬。經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)比對(duì)得到，一般對(duì)于152.40μm以下線寬，繪制線寬比設(shè)計(jì)線寬大1～8μm；對(duì)于152.40μm及以上線寬，繪制線寬比設(shè)計(jì)線寬大2～10μm。

3 圖形轉(zhuǎn)移對(duì)PCB線寬的影響

圖形轉(zhuǎn)移就是將照相底版上的電路圖像轉(zhuǎn)移到覆銅箔層壓板上，形成一種抗蝕或抗電鍍的掩膜圖像，其工藝流程大致為刷板前處理→貼膜→曝光→顯影。前處理是通過(guò)刷板清潔板面，使板面粗糙，使干膜牢固地粘附在基板表面。貼膜為后續(xù)曝光做準(zhǔn)備，曝光就是紫外光通過(guò)底片使底片上透光圖形感光，使圖形轉(zhuǎn)移到印制板上的過(guò)程。顯影是將干膜中未曝光部分溶解于顯影液而被去除，留下感光部分，起抗蝕刻或電鍍保護(hù)的作用[4-5]。根據(jù)車間標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書要求進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)移過(guò)程，記錄圖轉(zhuǎn)顯影后印制板各層同位置線條處的線寬，由于測(cè)量數(shù)據(jù)龐大，這里隨機(jī)統(tǒng)計(jì)每層同位置線條的5組數(shù)據(jù)并取其平均值，記錄數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各層顯影后線寬（單位：μm）

分析表3數(shù)據(jù)得出，各層顯影后的線寬均大于設(shè)計(jì)線寬和光繪線寬。其152.40μm以下線寬顯影后大于設(shè)計(jì)線寬10～12μm，152.40μm及以上線寬顯影后大于設(shè)計(jì)線寬7～10μm，這與底片圖形分布、曝光方式和曝光過(guò)程有關(guān)。且顯影后的線寬與光繪機(jī)補(bǔ)償線寬相近，這說(shuō)明從光繪到圖轉(zhuǎn)過(guò)程中線寬變化規(guī)律穩(wěn)定，可以根據(jù)光繪補(bǔ)償線寬很好地控制圖轉(zhuǎn)顯影后的線寬，為生產(chǎn)提供經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。

4 蝕刻對(duì)PCB線寬的影響

以化學(xué)的方法將覆銅箔基板上不需要的部分銅箔去除，使之形成所需要的電路圖形，稱為“蝕刻”。根據(jù)光繪底片繪制原理的不同將蝕刻工序分為酸性蝕刻和堿性蝕刻，酸性蝕刻是將未被干膜保護(hù)的銅面通過(guò)酸性蝕刻液腐蝕，再通過(guò)去膜工序?qū)⒈Ｗo(hù)線條的干膜去除，達(dá)到內(nèi)層蝕刻的效果。堿性蝕刻是將未被錫保護(hù)的銅面通過(guò)堿性蝕刻液腐蝕，再通過(guò)退錫液去除電鍍錫層，留下需要的圖形部分[6]。酸性蝕刻用于單片，單片銅厚1 Oz（1 Oz代表PCB的銅箔厚度約為35μm）；堿性蝕刻用于外層，外層銅厚0.5 Oz。根據(jù)車間標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書要求進(jìn)行內(nèi)外層蝕刻，記錄蝕刻后印制板各層同位置線條處的線寬，這里隨機(jī)統(tǒng)計(jì)每層同位置線條的5組數(shù)據(jù)并取其平均值。由于蝕刻過(guò)程線條會(huì)發(fā)生側(cè)蝕，因此蝕刻后的線條會(huì)存在上下線寬，記錄蝕刻后線條寬度平均值如表4所示。

表4 各層蝕刻后線寬（單位：μm）

從表4可以看出，L3層137.16μm的線寬小于設(shè)計(jì)值，且偏離設(shè)計(jì)值范圍較大，這是由于該線條較細(xì)且位置孤立，蝕刻時(shí)線條與蝕刻液接觸充分、蝕刻量過(guò)大導(dǎo)致的；L5層均是137.16μm的線條，線條分布均勻，蝕刻后的線條寬度與理論要求值較匹配；其余層線條寬度較寬，蝕刻結(jié)果比較理想。各層蝕刻后的線寬均能滿足國(guó)軍標(biāo)要求，生產(chǎn)合格。

蝕刻采用中線寬作為分析線寬，將各工序線寬統(tǒng)計(jì)匯總，如表5所示。各工序線寬變化如圖2所示。

可以看出，光繪線寬和顯影后線寬大于設(shè)計(jì)線寬，顯影后線條寬度達(dá)到最大，為蝕刻工序留最大加工余量，蝕刻后的線寬接近設(shè)計(jì)線寬。

表5 生產(chǎn)過(guò)程各工序線寬比對(duì)（單位：μm）

5 小結(jié)

對(duì)各工序印制板線寬跟蹤分析對(duì)比得到：①隨著光繪繪制次數(shù)的增多，同等條件下繪制的線條寬度逐漸減小，但均大于設(shè)計(jì)線寬；②圖形轉(zhuǎn)移顯影后的線寬與光繪補(bǔ)償線寬相近，可以依據(jù)光繪線寬把控顯影后的線寬；③蝕刻線寬不僅與附銅厚度、蝕刻參數(shù)有關(guān)，也與線條分布密切相關(guān)，越孤立處的線寬越不易控制，在工程處理時(shí)對(duì)孤立線條進(jìn)行線寬補(bǔ)償尤為重要。