一種新型PTFE覆銅板的精細(xì)圖形制作前處理工藝優(yōu)化

趙丹，鄒嘉佳，范曉春，管美章

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230088）

一種新型PTFE覆銅板的精細(xì)圖形制作前處理工藝優(yōu)化

趙丹，鄒嘉佳，范曉春，管美章

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230088）

精細(xì)圖形制作的前處理工藝對(duì)印制電路板的銅表面粗糙度影響很大。對(duì)一款新開發(fā)的PTFE覆銅板表面采取機(jī)械磨刷、噴砂研磨、化學(xué)微蝕3種前處理工藝，通過SEM及粗糙度結(jié)果分析了處理后銅面的粗化效果。結(jié)果表明，化學(xué)微蝕前處理方式有利于獲得較好的銅面外觀，采用相應(yīng)的圖形制作工藝參數(shù)可達(dá)到較好的線寬精度要求。

高頻覆銅板；前處理；圖形制作；粗糙度

1 前言

近年來電子與通信產(chǎn)品在高速、高頻化方面得到迅速發(fā)展，尤其是尖端領(lǐng)域的軍用電子，頻段已發(fā)展至毫米波段(80～100 GHz)。與此同時(shí)，由于電子產(chǎn)品輕薄短小和多功能的需求不斷增加，從而打破了高頻電路板走“馬路式”線寬的道路，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏然季€技術(shù)。目前，0.1 mm/0.1 mm的線寬/線距已成為高頻印制板產(chǎn)品的主流設(shè)計(jì)規(guī)格，因此精細(xì)線路制作技術(shù)和信號(hào)線寬公差控制技術(shù)就變得尤為重要[1]。根據(jù)IPC標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)線路線寬/線距按±20%的公差控制，阻抗線路線寬/線距按±10%的公差控制[2]。高頻PCB的線寬/線距控制涉及圖形制作工藝多方面的內(nèi)容，其中圖形制作前處理是決定精細(xì)圖形最終性能的重要環(huán)節(jié)之一[3]。

圖形制作工序作為印制板生產(chǎn)的重要過程之一，其常規(guī)制作工藝流程為：去油→前處理→貼膜→曝光→顯影→蝕刻→表面鍍涂。前處理為圖形制作不可或缺的步驟，其作用一方面是為了除掉銅面油污、氧化、殘留藥水、水跡、異物等污染物，提高銅面的清潔度；另一方面是為了粗化銅面，增強(qiáng)化干膜與銅面的附著力。前處理方式一般有3種，特點(diǎn)比較如表1所示[4]。

表1 前處理方式特點(diǎn)比較

文中對(duì)一款新提供使用的PTFE高頻覆銅板進(jìn)行圖形制作前處理工藝探索，為后續(xù)產(chǎn)品的多層板批量生產(chǎn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料及儀器

文中使用的PTFE高頻覆銅板為厚度0.254 mm、銅厚35 μm的雙面板。測(cè)試設(shè)備主要為SIGMA/蔡司光學(xué)公司的電子顯微鏡SEM和北京時(shí)代之峰科技有限公司的TR110型袖珍式粗糙度儀。

2.2 主要試驗(yàn)方法及試驗(yàn)參數(shù)

3種前處理工藝具體參數(shù)如表2所示。

表2 前處理工藝參數(shù)

3 結(jié)果及討論

3.1 不同前處理工藝的表觀形貌分析

PTFE為基體的覆銅板經(jīng)過3種前處理后的銅面SEM照片如圖1所示。從圖1中可以看出，3種方法得到的處理銅面整體都較平滑。噴砂研磨法處理得到的表面形貌為層狀波浪形，銅面翹起一層微米級(jí)小片；化學(xué)微蝕法處理得到的表面形貌是密集凹坑，凹坑緊密相連且坑底有幾十納米級(jí)的褶皺起伏；機(jī)械磨刷法處理得到的表面形貌為條狀交疊，條形長(zhǎng)度為10-1～101微米量級(jí)，寬度為10-2～101微米不等。由此可見，前處理后，精細(xì)化的銅面不僅為抗蝕劑與銅箔提供了最大的接觸表面積，而且同時(shí)可以防止曝光光線在銅面的反射，避免導(dǎo)體線路圖形邊緣模糊。

圖1 3種前處理工藝形貌圖

3.2 不同前處理工藝的表面粗糙度分析

經(jīng)前處理的粗糙銅表面為圖形轉(zhuǎn)移的干膜提供了足夠的接觸面積。然而精細(xì)線路的制作面臨表面粗糙度相互矛盾的兩個(gè)要求：（1）要達(dá)到精細(xì)的圖形精度，表面粗糙度越小越好；（2）要使干膜或其他抗蝕材料與銅箔表面有良好的結(jié)合力，必須保持表面有一定的粗糙度。因此選取3種粗糙度參數(shù)Ra、Rt和Rz進(jìn)行分析。

Ra、Rt和Rz均為表面粗糙度幅度參數(shù)（縱坐標(biāo)平均值），在GB/T3505-2000《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范表面結(jié)構(gòu)輪廓法表面結(jié)構(gòu)術(shù)語、定義及參數(shù)》和GB/T3505-1983《表面粗糙度術(shù)語表面及其參數(shù)》中有明確定義[5～6]。

圖2 Ra取值示意圖

Rt是評(píng)定長(zhǎng)度（lc）內(nèi)最大的峰谷垂直距離（GB/T3505-2000），其中l(wèi)r為評(píng)價(jià)長(zhǎng)度，計(jì)算原理如圖3所示。

圖3 Rt取值示意圖

圖4 Rz取值示意圖

3種前處理工藝的銅表面粗糙度如表3所示。Ra和Rz是兩個(gè)相互獨(dú)立的參數(shù)，Rz＜Rt。由于Rz的概念直觀且較嚴(yán)密，在實(shí)際測(cè)量中被廣泛使用。

表3 不同前處理工藝的表面粗糙度

通過表3可見，3種前處理工藝均會(huì)降低Ra和Rz，即表面波峰與波谷的落差減小，表面更加精細(xì)。經(jīng)過噴砂研磨處理的銅表面，精細(xì)結(jié)構(gòu)上相對(duì)粗糙，對(duì)應(yīng)表3，則呈現(xiàn)為Ra相對(duì)較大。經(jīng)過機(jī)械磨刷的平整化作用，平整度會(huì)比噴砂研磨方式有所提高，即Ra有所下降。經(jīng)過化學(xué)處理會(huì)得到非常精細(xì)的表面結(jié)構(gòu)，局部結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，得到的比表面積大大增加，且平整度較好，表現(xiàn)為Ra最低而Rz最大。

國外文獻(xiàn)報(bào)道，表面粗糙度適當(dāng)（5 mm＞Rz＞2 mm和0.6 mm＞Ra＞0.2 mm的值適當(dāng)）才能得到邊緣清晰、結(jié)合力良好、無缺陷的精細(xì)線路[7]，因此實(shí)驗(yàn)中的噴砂研磨和化學(xué)微蝕兩種前處理工藝均能滿足要求，而化學(xué)微蝕法得到的銅面Rz最大。由于化學(xué)方法處理不僅能改善表面的物理形狀，而且能從微觀上改變晶體結(jié)構(gòu)，活化金屬表面，增大表面能。在紫外光的作用下，銅更容易與感光抗蝕劑形成化學(xué)鍵合，而表面的附著性是感光抗蝕劑與銅表面的物理和化學(xué)鍵合共同作用的結(jié)果。因此最終選取化學(xué)微蝕的方法對(duì)微帶板進(jìn)行前處理。

3.3 化學(xué)微蝕前處理工藝的線路分析

采取化學(xué)微蝕法處理的PTFE基PCB圖形制作的工藝參數(shù)如表4所示，其中線寬/線距設(shè)置為0.2 mm/0.2 mm。

表4 PTFE PCB的圖形制作工藝參數(shù)

圖5 化學(xué)微蝕法處理后PTFE PCB的圖形制作形貌

PTFE試驗(yàn)板采用8級(jí)曝光能量對(duì)線寬線距進(jìn)行曝光影響，如圖5（a）所示，顯影后的線條如圖5（b）所示。圖中可見，8級(jí)曝光出來的板用50×測(cè)量50.8～89 μm其露銅線寬及干膜寬剛好于設(shè)計(jì)線寬間距無余膠、無干膜翹起現(xiàn)象。使用壓力137.9 kPa、速度2.0 m/min的顯影工藝后，未發(fā)現(xiàn)余膠，無干膜翹起現(xiàn)象，其線寬/線距根據(jù)GJB362B測(cè)試，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。以上相關(guān)曝光、顯影條件后生產(chǎn)出來的板于2.0 μm微蝕量試驗(yàn)板顯影之后未發(fā)現(xiàn)掉膜現(xiàn)象，用3M膠帶測(cè)試附著力均未發(fā)現(xiàn)有脫離現(xiàn)象，說明PTFE試驗(yàn)板在此條件下顯影及附著力正常，可使用此參數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行批量生產(chǎn)。

4 結(jié)論

考察了一款新型PTFE覆銅板的圖形制作前處理工藝，研究發(fā)現(xiàn)：

（1）圖形制作前處理效果對(duì)精細(xì)圖形轉(zhuǎn)移干膜附著力和曝光顯影均有影響，銅面平整度高和精細(xì)結(jié)構(gòu)粗糙度高有利于精細(xì)圖形的曝光顯影制作。

（2）噴砂研磨和化學(xué)微蝕處理方法得到的PTFE高頻板銅面表面粗糙度高，機(jī)械磨刷的表面粗糙度較低，噴砂研磨和化學(xué)微蝕兩種方法比較，化學(xué)微蝕處理方法兼具粗糙度和平整度的雙重優(yōu)勢(shì)。

（3）在化學(xué)微蝕處理方法的基礎(chǔ)上對(duì)PTFE高頻板進(jìn)行顯影蝕刻，得到的試驗(yàn)板線條滿足指標(biāo)要求，可作為后續(xù)批產(chǎn)工藝依據(jù)。

[1]陳世金.從ECWC13報(bào)告看高頻高速PCB的工藝新發(fā)展[J].覆銅板資訊，2014(4)：33-36.

[2]IPC-A-600J-2016.Acceptability of Printed Boards[S].

[3]李長(zhǎng)生.PCB圖形轉(zhuǎn)移線干膜寬損耗的研究[J].印制電路信息，2011(11)：22-24.

[4]鄧銀，張勝濤，蘇新虹，等.前處理對(duì)化學(xué)沉鎳金金面外觀影響的研究[J].印制電路信息，2011(11)：30-35.

[5]王芹.實(shí)際測(cè)量中表面粗糙度參數(shù)的選擇及測(cè)量誤差的分析[J].計(jì)量測(cè)試與檢定，2014，24(1)：5-7.

[6]甘曉川，張瑜，劉娜，等.表面粗糙度參數(shù)Rz、Rmax、Rt、R3z、RPc等的測(cè)量[J].校準(zhǔn)與測(cè)試，2008(9)：75-77.

[7]朱斌，劉曉陽.銅表面形貌對(duì)HDI精細(xì)線路圖形轉(zhuǎn)移的影響[J].印制電路信息，2008(6)：30-35.

作者簡(jiǎn)介：

吉兵（1988—），男，新疆阿勒泰人，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)及信息安全，目前就職于中國電科58所SOC研發(fā)中心。

Studies of Pretreatment Optimization of Fine Pattern Manufacture for High-Frequency PTFE Laminate

ZHAO Dan,ZOU Jiajia,FAN Xiaochun,GUAN Meizhang
（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute,Hefei 230088,China）

Pretreatment has a great impact on copper surface of printed circuit board during fine pattern manufacture process.Three types of pretreatment technologies,brush scrubbing,pumice and chemical micro-etching,are used for a novel high frequency PTFE laminate.The surface of the copper after three different pretreatments are analyzed by Scanning Electron Microscope(SEM)and Alpha-step IQ surface profiler.The results show that copper surface pretreated by chemical micro-etching is conducive to obtain better copper surface.The line width of PTFE PCB using chemical micro-etching method meets the requirement of 0.1/0.1 mm±0.020 mm.

high frequency laminate;pretreatment;pattern manufacture;roughness

TN405

A

1681-1070（2017）02-0033-04

趙丹（1983—），男，浙江東陽人，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，主要從事雷達(dá)工藝總體技術(shù)的研究。

2016-10-13