減成法工藝下非電鍍線路的精準加工方法

王星星

（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

0 引言

高頻與高速信號傳輸質量與印制電路板（PCB）的阻抗精度能力有著密不可分的聯(lián)系，在第5代移動通信技術（5G）大規(guī)模商用的背景下，信息傳輸日益趨向高頻化與高速化，因此對PCB的阻抗精度能力提出了更嚴格的要求[1]。

對于非電鍍的內層線路而言，影響阻抗精度的關鍵因素線路寬度（以下簡稱線寬）[2]。在理想的情況下，只要把線寬做到與客戶所設計的一致，就能達到阻抗的精準控制，但是在實際生產的情況下，線寬受非常多的因素影響，所以要把線寬做到與客戶所設計的完全一致是一件非常具有挑戰(zhàn)性的事情。因此，本文以公司內部的實際情況為例，探討了非電鍍層18 μm（0.5 oz）高精準度線路的加工方法。

1 實驗部分

1.1 實驗數據處理說明

本文中的線寬精準度用過程能力指數（Process capability index，Cpk）表示，其計算方式如式（1）所示。

其中，CP為精度，CA為準度，計算公式如如式（2）所示。

其中，T為線寬公差，本文統(tǒng)一為10 μm，為線寬標準偏差，為線寬平均值。除特殊說明外，本文將處理后的線寬值用于Cpk、CP、CA的計算，其計算方式為式（3）所示。

1.2 不同曝光設備線寬精度的測量

設計線路寬度相同的光繪文件，用相同的光繪文件、不同的曝光設備對貼好干膜的覆銅板進行曝光，曝光后的板件用同一設備進行顯影，顯影后用金相顯微鏡測量干膜的寬度（下文簡稱膜寬），每塊板測量50個數據，然后統(tǒng)計每臺曝光設備對應的膜寬CP值。

1.3 不同蝕刻設備的線寬精度測量

用包含若干種線距不同、線寬相同的線路光繪文件、相同的貼膜、曝光、顯影后用不同的蝕刻設備進行蝕刻，蝕刻時板件的線路面朝下，最后用相同的設備退膜。退膜后的板件用線寬測量儀測量線路寬度，每塊板測量50個數據，然后統(tǒng)計每臺蝕刻設備對應的線寬CP值。

1.4 不同線距對線寬精度的影響實驗

包含多組線距不同但線寬相同的線路光繪文件，取若干塊覆銅板貼膜、曝光、顯影后的板件采用精度最優(yōu)的蝕刻設備進行蝕刻，蝕刻時板件的線路面朝下，最后進行退膜。退膜后的板件用線寬測量儀測量線路寬度，每種線距測量30個線寬數據，統(tǒng)計線寬平均值與目標值的差值。

1.5 不同蝕刻線速對線寬準度的影響實驗

設計線路寬度相同光繪文件，板件貼膜、曝光、顯影后采用精度最優(yōu)的蝕刻設備以不同的蝕刻線速進行蝕刻，蝕刻時板件的線路面朝下，最后進行退膜。退膜后的板件用線寬測量儀測量線路的寬度，每塊板測量50個數據，然后統(tǒng)計不同蝕刻線速下對應的線寬均值與值。

2 結果與討論

2.1 不同曝光設備對線寬精度的影響

衡量不同曝光機線寬精度的差異通過顯影后測量干膜的膜寬精度（指曝光、顯影后的抗蝕層寬度精度）。不同品牌的曝光機，由于設計原理的不同，所以其膜寬精度可能存在一定的差異。目前公司內所使用的曝光機有A、B、C三種品牌，A品牌采用單激光束轉鏡掃描成像，激光波長355 nm，光斑為橢圓形，單個光斑大小2.5×3.175，通過光斑重疊形成圖像，光斑與光斑的中心間隔約1.5 μm，理論上膜寬極差≤3 μm如圖1（a）所示。B、C采用DMD投影芯片多光束掃描成像，激光波長405 nm，光斑為正方形，光斑與光斑的中心間隔5 μm，理論上膜寬極差≤10 μm，如圖1（b）所示。。綜上，曝光機的線寬精度高低理論上應為：A＞B≈C。實際的膜寬測量結果如表1所示，C曝光機的CP均值為0.858，B曝光機CP均值為0.86，A曝光機CP值為1.72，B和C曝光機精度能力相差不大，A曝光機的精度能力顯著優(yōu)于B和C，這是由于光源系統(tǒng)的設計原理的差異導致的。同品牌之間的精度差異較小，其誤差主要是由測量誤差和設備的老化程度不同等引起的。根據Cpk計算公式，要將線寬Cpk做到1.0及以上，則膜寬精度必須滿足CP＞1，因此只有A曝光機滿足要求。由于不同曝光機的精度能力存在差異，因此在實際生產過程中應當避免同一個料號用不同的曝光機生產，除非客戶對線寬精度沒有嚴格要求。

表1 不同曝光機的膜寬精度能力表

圖1 （a）曝光機A與（b）曝光機B、C圖形轉移誤差原理圖

2.2 不同蝕刻設備對線寬精度的影響

蝕刻均勻性是影響線寬精度的重要因素[3]，不同品牌的蝕刻機其蝕刻均勻性本身就存在一定的差異。圖2測試了4種不同品牌蝕刻設備的蝕刻均勻性能力，下噴的蝕刻均勻性大小順序為蝕刻機1＞蝕刻機2＞蝕刻機4＞蝕刻機3，其中蝕刻機1和蝕刻機2蝕刻均勻性接近95%，均勻性較好，這是由于蝕刻機1、2設備較新，在技術和設計上都比3、4更先進。4種設備對應的線寬精度測試結果如表2所示。從表2中可以看出，CP由大到小的順序為蝕刻機1＞蝕刻機2＞蝕刻機4＞蝕刻機3，與蝕刻均勻性大小順序一一對應，說明蝕刻均勻性越好則精度越高。蝕刻機1的設計長度比蝕刻機2長，這可能是蝕刻機1的精度能力優(yōu)于2的主要原因。同為曝光機A曝光的前提下，蝕刻機2、3、4的標準偏差已經明顯大于曝光，說明蝕刻制程對線寬精度的影響大于曝光制程。

圖2 不同蝕刻機的蝕刻均勻性圖

表2 不同蝕刻設備的線寬精度對比表

2.3 不同線距對線寬精度的影響

在一張PCB上通常會設計出多種線距不同的線路，而不同的線距設計會對線路之間蝕刻藥水的交換產生較大的影響，圖3展示了線路密集區(qū)（小間距）與線路空曠區(qū)（大間距）在蝕刻之后線寬出現(xiàn)差異原理圖。在線路密集區(qū)，蝕刻藥水與銅面的交換速率慢，新鮮的蝕刻液無法及時與銅面反應，導致線路偏粗；而在線路空曠區(qū)，蝕刻藥水與銅面的交換速率過快，導致線路偏細，這將會對線寬精度產生較大影響，因此需根據不同間距對設計好的線路進行補償。根據第1.3節(jié)中的線寬測量結果，得到線距與補償量的關系如圖4所示，以線距為自變量x，補償量為因變量y進行擬合，得到函數關系式如圖5所示。

圖3 不同線距對線寬的影響示意圖

圖4 線距與補償量的關系圖

圖5 函數關系式圖

函數的擬合度達到了90%以上，說明模型的理論準確度較高。為了驗證該模型對于線寬精度的影響，設計了不同線距（如表3所示）相同線寬的線路進行了驗證，實驗組采用函數模型進行補償（以下稱動態(tài)補償），對照組采用固定補償（15 μm），兩種補償方式補償后限定最小線距≥50 μm，其他所有條件保持一致，蝕刻后分別測量線寬（每種線距對應6組數據）并統(tǒng)計總體CP值。實驗結果如表4所示，動態(tài)補償的線寬CP比固定補償提升了約1倍，說明動態(tài)補償顯著優(yōu)于固定補償。

表3 不同線距設計表

表4 動態(tài)補償與固定補償的線寬精度對比表

2.4 不同蝕刻線速對線寬準度的影響

線寬的準度由線寬均值決定，其本質上由PCB在制板在蝕刻設備中與藥水的反應時間、噴淋的壓力及蝕刻設備有效長度共同決定。一般情況下，噴淋壓力與蝕刻設備有效長度是不變的，因此反應時間與蝕刻線速成反比，所以可以通過調整蝕刻線速來調整線寬的準度。從表5中可以看出，線寬準度隨著蝕刻線速的變化而變化。以反應時間56.4 s為參考原點，時間變化量△t為自變量，線寬變化量△S為因變量，經擬合后可得到的函數關系式為式（4）所示。

表5 蝕刻線速與線寬準度的關系表

對式子（4）進行求導，得到式（5）：

κ代表反應時間每增加1 s，線寬約變細1.31 μm。雖然在實際的蝕刻加工過程中，雖然蝕刻量、覆銅板的種類不為常量會導致κ產生偏差，但是，蝕刻加工時通常會做首件以確定實際線寬是否在目標線寬的公差之內，若在目標線寬的公差之內再通過調整蝕刻線速就可以使批量件的實際線寬更加接近目標線寬，即線寬的準度更高。設首件的蝕刻線速為V初，反應時間為t初，蝕刻設備的有效長度為L，則有式（6）：

設批量件的蝕刻線速為V終，反應時間為t終，則有式（7）：

設批量件實測線寬均值為S終，目標線寬為S目，在理想情況下有式（8）：

設首件實測線寬均值為S初，設其與目標線寬的差值為△S’，則有式（9）：

聯(lián)立式（5）～式（9）可得式（10）：

式（10）在本文中稱為蝕刻模型，其中，S目在光繪設計完成時就已經確定，所以是已知量，L、V初、S初在首件完成后就已經確定，也是已知量，κ通過實驗測得為-1.31 μm/s。可得V終是模型預測的蝕刻線速，即批量件的蝕刻線速。

為了驗證模型是否適用于實際生產，進行蝕刻模型的有效性驗證。在不同的時間段抽取了6個料號進行測試，測試結果如表6所示。表6中批量件的線速即通過式子（7）預測的蝕刻線速（首件|CA|＞0.25調整，|CA|≤0.25不調整），從線寬準確度指數CA來看，通過模型預測的蝕刻線速加工出來的板件其線寬CA明顯優(yōu)于首件的線寬CA，說明模型能顯著改善線寬的準確度。當然，本模型所得的κ（線寬變化速率）只是一個近似值，噴淋壓力、藥水濃度、溫度、銅厚、銅箔類型、材料類型等在實際生產過程中都會發(fā)生變化，從而影響κ的準確性，但在首件線寬與目標線寬相差不大的情況下（△S＜10 μm），由于κ值不準確性所產生的誤差在本模型中仍是可以接受的。

表6 蝕刻模型驗證結果

2.5 動態(tài)補償與蝕刻模型在樣品中的應用效果

為了研究最優(yōu)條件下的線寬過程能力，設計了表3中不同間距的線路，然后運用動態(tài)補償對線路進行補償，曝光制程采用A曝光設備進行曝光，蝕刻制程采用蝕刻機1進行蝕刻，首件利用蝕刻模型對線寬精細控制，蝕刻完后測量線寬，并統(tǒng)計Cpk。測試結果如圖6所示，線寬Cpk（圖中為Ppk）值達到了1.06，潛在的合格率為99.9%。

圖6 最優(yōu)工藝下的線寬過程能力圖

3 結論

本工作重點研究了如何提高板內線寬的精度和準度，分析了內層各制程對線寬精度及準度的影響，摸清了曝光設備與蝕刻設備的能力邊界。在最優(yōu)工藝下，即在線路設計上采用動態(tài)補償規(guī)則，減少由于線距的不同對線寬精度造成的影響，在生產設備上采用精度最好的曝光機與蝕刻機，減少由于設備原因對線寬精度造成的影響，在蝕刻首件控制方面采用蝕刻模型，降低由于線寬不居中對線寬準度造成的偏差，最終的線寬過程能力達到了1.06。

目前，基于傳統(tǒng)的減成法工藝優(yōu)化能夠勉強達到±5 μm線路精度。如果未來要做線寬精度更高的產品（如±3 μm），則曝光制程加顯影制程的精度要控制在CP（±3 μm）≥1.6（標準偏差0.63以下），蝕刻制程需要將精度控制在CP（±3 μm）≥1.3（標準偏差0.77以下），準度控制在|CA|≤0.25。有關要求如表7所示。傳統(tǒng)的減成法工藝可能已經無法滿足要求，需要采用改進型半加成法工藝（mSAP）

表7 不同精度線路對應的設備和工藝要求表

本工作有效的提升了線寬的精確度和準確度，為更高精度地線寬需求提供了技術支撐。