半加成法制作30 μm精細(xì)線路及其工藝優(yōu)化

江俊鋒 何 為 馮 立（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）陳世金 周 華（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514000）

半加成法制作30 μm精細(xì)線路及其工藝優(yōu)化

江俊鋒 何 為 馮 立
（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）
陳世金 周 華
（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514000）

在公司制程能力為70μm/70μm的工藝條件下，運用半加成法探索進行線寬為30μm的撓性雙面板精細(xì)線路制作工藝研究。通過正交試驗法的L9(34)正交表設(shè)計對精細(xì)線路制作中的顯影速度、顯影壓力、蝕刻速度、蝕刻壓力四個因素進行工藝優(yōu)化，確定了線寬為30μm的撓性雙面板精細(xì)線路制作的最佳條件。結(jié)果表明，顯影速度為主要影響因素。

半加成法；精細(xì)線路；正交試驗法；工藝優(yōu)化

1 前言

撓性印制電路板由于具有輕、薄、短、小、結(jié)構(gòu)靈活的特點，在封裝基板的選材上得到了廣泛的運用[1]。同時，進一步在撓性基板上制作線寬/線距小50 μm/50 μm的精細(xì)線路更能滿足封裝基板的高密度需求。

減成法是制作撓性印制板（FPC）線路的最常用方法，但其制作的線寬/線距受到感光抗蝕層的分辨率及側(cè)蝕等因素的制約，難以制作線寬/線距小于50 μm/50 μm的精細(xì)線路。如果要制作更加精細(xì)的線路，可采用半加成法。半加成法的主要原理[2]是利用圖形電鍍加厚線路區(qū)域，那些被干膜保護沒有進行電鍍加厚的區(qū)域在差分蝕刻過程中被很快的除去，剩下的部分被保留下來形成線路。通過控制圖形電鍍的時間，能夠很容易調(diào)節(jié)最終線路的厚度。目前已經(jīng)商品化的銅箔中，應(yīng)用最多的薄銅箔為12 μm。一旦低于這個數(shù)值，當(dāng)厚度進入9 μm，5 μm甚至2 μm的范圍時，其價格迅速上升，導(dǎo)致成本居高不下。如果能自行在12 μm銅箔的基礎(chǔ)上將其減薄后變成超薄銅箔來使用，將會大大降低成本。本實驗就是先對銅箔進行減薄至3.5 μm，再考察運用半加成法制作精細(xì)線路的可行性。

精細(xì)線路的整個制作流程需要控制的因素很多，因此想要制作合格的精細(xì)線路需要注意每一個工藝流程。胡友作等[3]采用減成法工藝及正交試驗設(shè)計對蝕刻速度、顯影速度、曝光能量三個因素進行優(yōu)化，制作出40 μm/40 μm線路。但其參考指標(biāo)僅考慮線寬，對精細(xì)線路的判定標(biāo)準(zhǔn)缺乏說服力。本試驗是在公司FPC廠原有制程能力為70 μm/70 μm的工藝條件下，探究半加成法制作撓性雙面板30μm精細(xì)線路的工藝條件。通過L9(34)正交試驗的設(shè)計，對顯影速度、顯影壓力、蝕刻速度、蝕刻壓力四個因素進行工藝優(yōu)化及分析，確定制作30 μm精細(xì)線路的最佳條件。

2 半加成法工藝過程

本試驗采用12 μm銅箔減薄到3.5 μm，利用圖形電鍍將線路部分加厚到18 μm，未電鍍加厚的非線路部分采用快速蝕刻工藝，最后得到線寬為30 μm的精細(xì)線路。其工藝流程圖[4]如圖1所示。

圖1 半加成法工藝圖

3 實驗

3.1 實驗儀器

自動貼膜機、LDI曝光機、水平顯影、蝕刻、退膜（DES）線、減銅線、線寬測量儀、銅厚測試儀、金相顯微鏡、垂直連續(xù)電鍍線（VCP線）

3.2 實驗材料

臺虹雙面無膠電解銅箔（銅厚12 μm）、殷田AQ-20SD干膜（膜厚20 μm），碳酸鈉體系顯影液、鹽酸氯化銅體系蝕刻液、氫氧化鈉體系退膜液等

3.3 實驗步驟

3.3.1 精細(xì)線路的制作過程

整個試驗流程如圖2所示。

選用銅箔為12 μm的撓性雙面覆銅箔層壓板，在硫酸雙氧水體系中減銅至（3.5±0.5）μm，在不開磨刷的噴砂線上稍作處理，采用濕法貼膜工藝，熱壓貼覆AQ-20SD干膜。貼膜15 min后采用LDI曝光機完成曝光過程，控制曝光能量為30 mJ/cm2，至少15 min后進行顯影過程。顯影后在VCP垂直連續(xù)電鍍線上控制電流密度為1.6 A/dm2，電鍍時間為35 min，將正片線路部分加厚到18 μm。在退膜線上除去剩余保護性干膜，確保退膜干凈后采用鹽酸氯化銅體系蝕刻液進行快速蝕刻。

圖2 試驗流程圖

3.3.2 試驗因素的選擇

電解銅箔為硫酸銅電解液直流電下陰極電沉積，銅微粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)在蝕刻時容易形成垂直的線條，有利于精細(xì)線路的制作。選用LDI曝光工序，省去了常規(guī)曝光過程中底片工序，減少因底片脹縮引發(fā)的偏差。同時圖形解析度高，非常有利于精細(xì)線路的制作。

精細(xì)線路的顯影過程要求很嚴(yán)，顯影不足，未感光的干膜部分沒有完全去除，會導(dǎo)致線路間殘膠，造成蝕刻不凈甚至短路；顯影過度，干膜在顯影液中停留時間過長，導(dǎo)致干膜過分溶脹，使干膜與銅面結(jié)合力下降甚至起翹、脫落，使蝕刻時斷線。蝕刻時，蝕刻過慢，容易造成線路部分過度蝕刻，側(cè)蝕嚴(yán)重，甚至造成線路斷路；蝕刻過快，容易造成線路跨接而短路。所以本文重點考察對精細(xì)線路制作影響較大的顯影速度、顯影壓力、蝕刻速度和蝕刻壓力。

采用L9(34)正交試驗[5]的設(shè)計，選取顯影速度、顯影壓力、蝕刻速度、蝕刻壓力四個因素進行工藝優(yōu)化，其因素—水平表如表1所示。

4 正交試驗與分析

4.1 正交試驗結(jié)果

正交試驗顯影和蝕刻后結(jié)果如表2所示。

4.2 極差分析

根據(jù)表2，作出蝕刻后的線寬指標(biāo)—因素圖，如圖3所示。

表1 因素—水平表

表2 正交試驗安排及其結(jié)果表

圖3 蝕刻后線寬指標(biāo)—因素圖

對圖3進行分析，可以看出因素主次順序為：A＞C＞D＞B，即顯影速度為主要決定因素，蝕刻速度和蝕刻壓力為第二階梯決定因素，而顯影壓力影響較小。試驗安排時，查閱相關(guān)文獻知顯影壓力為極難控制因素，顯影壓力只能做小范圍變化。

顯影過程控制顯影速度A及顯影壓力B兩個因素，通過對顯影后平均線寬的分析可得：隨著顯影速度的增大，顯影后的線寬有逐步減小的趨勢。隨著顯影速度的增大，干膜與顯影液反應(yīng)的時間減小，溶解的膜也越來越少，造成線路部分逐漸變窄。而顯影壓力小幅度增大，使顯影液與干膜接觸更充分，退膜更完全，則線寬有增大趨勢，但變化范圍不明顯。

蝕刻過程控制蝕刻速度C和蝕刻壓力D兩個因素，通過對蝕刻后平均線寬的分析可得：隨著蝕刻速度的增大，蝕刻后的線寬有逐漸增大的趨勢。因為蝕刻速度增大，蝕刻液與銅箔反應(yīng)時間相應(yīng)減小，使線路蝕刻程度減小。而蝕刻壓力增大，使蝕刻線寬呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢。

4.3 線寬均勻性分析

本試驗?zāi)康氖侵谱?0 μm精細(xì)線路，所以對于試驗指標(biāo)，即蝕刻后線寬，要求越接近設(shè)計值越好。

根據(jù)圖3，對于A因素，線寬波動較大，說明了顯影速度的重要性。筆者認(rèn)為在顯影時，既要考慮相應(yīng)膜的顯影速度范圍，也要結(jié)合顯影線的實際顯影效果。相比起來，最適合A因素的為A2。 B因素由于變化不大，在允許誤差變化范圍內(nèi)可選很多，根據(jù)最佳效果，顯影壓力為B1。C因素的C1和C2變化不大，在30 μm附近變化，均可選擇。D因素的D1和D2線寬均接近30 μm，但觀察到蝕刻壓力在D1狀態(tài)時偏小，D1狀態(tài)的蝕刻壓力下線寬偏離度大于D2狀態(tài)下的偏離度，選擇D2更好。綜上，可得適合制作30 μm線寬的組合有A2B1C1D2，A2B1C2D2，對其作最后探究。

A2B1C1D2組合顯影后平均線寬為30.57 μm，蝕刻后平均線寬為30.42 μm，如圖4所示（注：標(biāo)注值僅代表此條線寬）。

圖4 A2B1C1D2組合顯影及蝕刻后線寬

A2B1C2D2組合顯影后平均線寬為30.93 μm，蝕刻后平均線寬為30.81 μm，如圖5所示。

圖5 A2B1C2D2組合顯影及蝕刻后線寬

兩組由于顯影條件相同，故顯影后線寬差別不大，觀察到顯影后線寬均略大于30 μm。因為后續(xù)鹽酸氯化銅蝕刻液蝕刻速率較快，極易造成過度蝕刻。在工程資料設(shè)計時，將線寬設(shè)計略大于30 μm。蝕刻后線寬雖然A2B1C2D2組合略大，但在可接受誤差范圍內(nèi)。

4.4 蝕刻因子分析

蝕刻因子是評定線路質(zhì)量的重要指標(biāo)，蝕刻因子（F）定義為蝕刻深度（H）與側(cè)蝕寬度（X）之比[1]。蝕刻因子越大，表明側(cè)蝕越輕。

根據(jù)實際蝕刻因子計算方法[6]，可得A2B1C1D2組合的蝕刻因子為3.31，A2B1C2D2組合的蝕刻因子為3.63。雖然兩組差別不大，但考慮到多組線條綜合引起的偏差，A2B1C2D2組合是更好的選擇。原因是A2B1C2D2組的蝕刻速度更快，線路邊緣處與蝕刻藥液接觸時間變短，減小了側(cè)蝕程度。設(shè)計時，線距設(shè)計為35 μm，但觀察到下線距略大，上線距由于側(cè)蝕偏差更大，說明鹽酸氯化銅蝕刻液的蝕刻能力極強。這也進一步說明在鹽酸氯化銅蝕刻液中選擇相對較大的蝕刻速度是更好的選擇。

4.5 正交試驗小結(jié)

本試驗指標(biāo)線寬均勻性越接近設(shè)計值越好，蝕刻因子越大越好。對因素A分析，其對試驗結(jié)果影響顯著，確定優(yōu)水平為A2；因素B的水平改變對試驗結(jié)果影響很小，從實際常規(guī)考慮，選擇B1；因素C和D的影響，根據(jù)線寬考慮，選擇C2和D2。最優(yōu)水平組合為A2B1C2D2，即顯影速度為3.2 m/min，顯影上壓力為1.4 kg/m2，下壓力為1.3 kg/m2，蝕刻速度為4.5 m/min，蝕刻上壓力為1.6 kg/m2，下壓力為1.5 kg/m2。

5 結(jié)論

本試驗嚴(yán)格控制制作精細(xì)線路的各因素，采用硫酸雙氧水體系將電解銅箔減銅至3.5 μm以及LDI曝光機來保證精細(xì)線路制作中的前期要求。特別是在顯影、蝕刻線上，通過L9(34)正交試驗的設(shè)計，對顯影速度、顯影壓力、蝕刻速度、蝕刻壓力四個因素進行工藝優(yōu)化，并通過線寬均勻性和蝕刻因子分析了試驗結(jié)果的可行性，確定了制作30 μm精細(xì)線路的最佳條件。

通過采用半加成法，結(jié)合圖形電鍍與快速蝕刻工藝，極大地減小了常規(guī)的減成法工藝過度蝕刻的現(xiàn)象。

[1]張懷武, 何為等. 現(xiàn)代印制電路原理與工藝[M].北京:機械工業(yè)出版, 2010.

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

[3]胡友作, 薛衛(wèi)東等. 用正交試驗法優(yōu)化撓性單面板精細(xì)線路的工藝[J]. 印制電路信息, 2012, 01:49-52.

[4]崔浩. 手機用COF制造工藝關(guān)鍵技術(shù)研究[C]. 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文. 2008,5.

[5]何為. 優(yōu)化試驗設(shè)計法及其在化學(xué)中的運用[M].電子科技大學(xué)出版社, 2004.

[6]田玲, 李志東. 淺談蝕刻因子的計算方法[J]. 印制電路信息, 2007:55-56.

Semi-additive processing for 30μm fine lines and its process optimization

JIANG Jun-feng HE Wei FENG Li CHEN Shi-jin ZHOU Hua

The company has a processing capacity for 70μm/70μm lines, by using semi-additive processing we had explored how to produce the flexible double-sided 30μm fine lines. By designing a L9(34) orthogonal table test, we had a four factors process optimization on developing speed, developing pressure, etching speed and etching pressure to determine the optimum production conditions for 30μm fine lines. According to the result, developing speed is the main factors.

Semi-Additive Processing; Fine Lines; Orthogonal Test; Process Optimization

TN41

A

1009-0096（2014）03-0036-04

江俊鋒，電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院在讀研究生，主要研究方向為撓性印制板新技術(shù)。