用正交試驗法優(yōu)化撓性單面板精細線路的工藝

胡友作 薛衛(wèi)東 何 為 黃雨薪

（電子科技大學微電子與固體電子學院，四川 成都 610054）

呂文驅 羅 旭 劉振華 李啟軍

（梅州博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514000）

撓性印制電路板具備輕、薄、短、小、結構靈活的特點，可以同時進行靜態(tài)和動態(tài)撓曲。其安裝和連結的撓性特征、高密度電路的精確性、耐熱性、電路終端選擇的多樣性以及材料和空間的有效使用等特性，使得撓性印制電路板得到了廣泛的應用[1]。尤其是近幾年迅速發(fā)展起來的COF封裝技術[2]，大大的推動了撓性印制板精細線路的制作。其中，撓性單面板是用途最多、用量最大的撓性印制版種類。

精細線路的制作是印制電路板制成能力的重要考量因素。面對競爭日益激烈的電路板行業(yè)和集成度不斷提高的封裝技術，精細線路的制作顯得尤為重要。由于精細線路的制作受到材料和設備的很大限制[3][4]，很有必要對其中各因素對線路精細度的影響進行探索。

本論文是在博敏電子股份有限公司公司原有的制成能力為70μm/70μm的設備基礎上，對即將投入生產(chǎn)的撓性板的精細線路進行初步試驗，擬用正交試驗法制作理論線寬為40μm的線路時，曝光能量、顯影速度和蝕刻速度等因素的影響及其優(yōu)化參數(shù)。

1 實驗儀器和材料

1.1 實驗儀器

微蝕減銅線，自動干膜壓合機，平行曝光機，DES線，線寬測量儀。

1.2 實驗材料

旭化成干膜YQ-40SD，生益SF302單面有膠壓延銅箔，聚酯菲林，蝕刻液，顯影液，退膜液。

2 精細線路制作優(yōu)化工藝

2.1 精細線路制作流程

原有的制成能力為70μm/70μm的設備的線路制作流程包括：開料、前處理、貼干膜、曝光、顯影、蝕刻、退膜和IPQC工序。針對制作理論線寬為40μm的精細線路，我們采用了制作流程如圖1。

圖1 40μm/40μm精細線路工藝流程圖

2.2 試驗因素的選擇

本實驗選用基材是撓曲性能更好的壓延銅箔，厚度為18μm。由于精細線路制作時，較薄的面銅可以減少線路的側蝕和水溝效應，即不會出現(xiàn)有過多的蝕刻液聚集在比較精細的線路間而造成新舊蝕刻液互相轉換等問題。為此，本實驗采用減銅法先將銅箔厚度減至13μm。同時，經(jīng)過了減銅后的銅面已經(jīng)處于粗糙的狀態(tài)，可以很好的與干膜結合，因此不用再對板面進行貼干膜前處理工序。對于干膜厚度，精細線路的制作選用分辨率較好的薄干膜較好。在精細線路的制作中，影響線間距的因素很多，比如銅箔厚度、銅箔類型、蝕刻壓力、顯影壓力等。

由于曝光時，干膜中的感光劑會吸收相應波長的光波而發(fā)生交聯(lián)聚合反應。對高密度、精細導線的成像,光源的特性會直接影響曝光的質量。曝光完畢的板在放置15分鐘后進行顯影，顯影過程中未參加交聯(lián)聚合反應的光致抗蝕劑會與顯影液中的Na+作用，生成親水性集團-COONa，從而被溶解下來。因此顯影時得防止顯影速度過慢而使露銅的兩邊膜受到顯影液的腐蝕，造成導線變形失真。顯影速度過快則會使顯影液不能達到精細線路的線間，造成顯影不凈，產(chǎn)生大量的余膠。蝕刻工藝時是將未被抗蝕劑遮蓋的銅用蝕刻液蝕刻掉，此次試驗用的蝕刻液是H2SO4/H2O2。除了水池效應外，蝕刻速度精細線路制作的影響最大。所以本文重點考察對精細線路制作影響較大的曝光能量、顯影速度和蝕刻速度三因素。

2.3 實驗的參數(shù)水平

本文采用正交試驗法[5]對影響線間距的因素——蝕刻速度、顯影速度和曝光能量進行正交試驗，每個因素選取三個水平，具體見表1。

表1 因素-水平表

3 試驗結果與分析

3.1 試驗步驟與安排

剪裁9張規(guī)格為150 mm×250 mm的的單面撓性板，從1號至9號分別編號，每個號對應表2中的試驗號。用H2SO4/H2O2蝕刻液進行減銅，將銅箔厚度減至13μm。減銅后不再對板件進行貼膜前處理，直接用自動貼膜機進行貼膜。在保證曝光機真空度達到90%以上后，用聚酯菲林進行曝光。放置15分鐘后調整相應的顯影速度進行顯影。顯影后的板用線寬儀進行線路檢測。然后進行蝕刻、退膜工藝，用線寬儀進行第二次線路檢測，分析數(shù)據(jù)。

3.2 試驗結果與分析

精細線路的制作中，每個因素都會對線路的最終成型起著一定的作用。其中顯影后的線路質量能夠很好的反應出曝光和顯影工藝對線路的影響。試驗在設定指標時選用了由兩因素三水平進行全面試驗得到的顯影后線寬，獨立對顯影和曝光兩個工藝進行研究。這樣以來，正交試驗不僅能夠優(yōu)化出適合精細線路的的指標、因素。還能進一步說明在不同階段，不同因素、水平所起的作用。

由表2可知，試驗6、8在顯影后的線寬最接近理論值，但是線路都有不同程度的干膜起翹和顯影不凈的問題。9號試驗線間距仍然在誤差范圍內，由圖3可以直觀的看到試驗6、8和9號的兩種試驗指標下的線路形狀。其中9號試驗在顯影后線路筆直，沒有干膜起翹或者曝光過度而產(chǎn)生余膠等現(xiàn)象。而6號試驗的線路邊緣露的兩邊受到了顯影液的攻擊造成干膜起翹，從對應的蝕刻結果可知過度顯影造成了干膜附著力的下降，容易造成過度蝕刻。9號試驗在蝕刻后線間距達到理論值，線路形狀良好，無嚴重側蝕等問題。

表2 試驗安排及其結果

試驗結果由全面試驗法得到的顯影后線寬和正交試驗法得到的蝕刻后線寬組成，其中只由曝光能量和顯影速度組成的全面試驗法較精確的得出在曝光能量為60 mj/cm2，顯影速度為2.8 m/min時得到的線路最接近理論值，形狀最好。

圖2 6、8和9號試驗的試驗指標對比圖

由蝕刻后線寬的試驗指標的極差分析可知，各因素對精細線路的影響順序是B＞A＞C。其指標-因素如圖3所示。按照實際線寬與理論線寬的差值不大于20%的原則，線寬值在32μm ～ 48μm時為最佳值。由試驗結果可得出最佳的試驗組合是A1B3C2。即5.5 m/min的蝕刻速度、2.8 m/min的顯影速度和60 mj/cm2的曝光能量。由試驗可以發(fā)現(xiàn)顯影速度對精細線路影響最大。在顯影后線路較筆直，無余膠殘留和干膜起翹的線路，在蝕刻后得到的線路線間距最接近理論值，并且線路無嚴重的側蝕。相反在顯影時已經(jīng)有過顯的線路在蝕刻后，即使選用較大的蝕刻速度也會出現(xiàn)果實可的現(xiàn)象，原因是過顯影導致干膜附著力下降，在蝕刻過程中，蝕刻液很容易蝕刻到干膜覆蓋著的線路。因此，在制備精細線路的過程中應當控制好顯影的參數(shù)。

圖3 精細線路試驗指標-因素圖

5 結論

本文通過在正交試驗中安排全面試驗的試驗結果來進一步探討了精細線路制作工藝的參數(shù)優(yōu)化。通過9次試驗得到了兩個試驗指標，由顯影后的線寬得出，當曝光能量過大時會使得線路過度曝光，從而即使選用較小的顯影速度也會有余膠停留在線間。曝光能量過小的話，因為光致抗蝕劑沒有得到完全的反應，所以在顯影速度很大時也會有有線路被沖掉。反之，在曝光能量適當時，顯影速度過快或過慢都會引起線路的變形。由此可知，精細線路制作的每一步都該確保參數(shù)的正確。由蝕刻后的線寬可知，在曝光和顯影都選用最佳的參數(shù)值時，用較快的蝕刻速度對精細線路的制作更有利一些。由正交試驗得出試驗的最佳工藝參數(shù)是A1B3C2，影響精細線路的主要因素是顯影速度。

[1]Joseph Fjelstad, Flexible Circuit Technology[M]. BR Publishing, Inc, 2006.

[2]劉尊奇, 張勝濤. RTR(Roll to Roll)方式制作25μm/25μm COF精細線路的參數(shù)優(yōu)化[J]. 印制電路信息,2009, NO9, p41～45.

[3]Fuhan liu,Venky Sundaram.Ultra-Fine photoresisit image formation for next generation high-density PWB substrate.International microelectronics and packaging society.2000,NO3, p339～345.

[4]何為. 優(yōu)化試驗設計法及其在化學中的應用[M]. 電子科技大學出版社, 2004.

[5]張懷武, 何為, 胡文成, 唐先忠. 現(xiàn)代印制電路原理與工藝[M]. 機械工業(yè)出版社, 2006.