15 μm/45 μm階梯覆銅板上75 μm寬精細(xì)線路的制作

李曉蔚

（西安工程大學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理處，陜西 西安 710048）

15 μm/45 μm階梯覆銅板上75 μm寬精細(xì)線路的制作

李曉蔚

（西安工程大學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理處，陜西 西安 710048）

提出了一種在15 μm/45 μm的階梯板上制作75 μm寬精細(xì)線路的工藝。首先采用電鍍銅工藝在15 μm銅厚的雙面覆銅板的基礎(chǔ)上制作15 μm/45 μm階梯板，進(jìn)而利用蝕刻補(bǔ)償工藝制作75 μm寬的階梯線路。通過線寬測量、微觀形貌觀察和蝕刻因子計(jì)算，對(duì)所制作的階梯線路進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該工藝不僅能夠保證制作的階梯線路具有較高的精度與質(zhì)量，而且生產(chǎn)成本較低。

階梯覆銅板；線路；蝕刻補(bǔ)償；銅厚；蝕刻因子

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子元器件越來越輕，體積越來越小，功能越來越多。這種現(xiàn)象影響了起連接作用的印制線路板，導(dǎo)致其布線密度越來越大，品種越來越多[1]。應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)電源供應(yīng)部分、汽車中央電器供電部分、大功率電器的高電壓部分的印制線路板[2]，要求其不同區(qū)域有不同厚度的線路。而提升線路精度是實(shí)現(xiàn)信號(hào)在高速傳輸過程中保持穩(wěn)定以及低損耗的方法之一[3]，因此需要在印制線路板上設(shè)計(jì)精細(xì)的階梯線路。用傳統(tǒng)的工藝制作精細(xì)階梯線路存在以下問題：(1)由于板面銅厚的差異性，在兩種不同厚度板面的交接處存在梯度差，導(dǎo)致干膜與板面貼合度差，在蝕刻時(shí)，蝕刻藥水就會(huì)從干膜與板面的縫隙處滲入，造成板面線路開路、缺口；(2)由于蝕刻速率跟板面銅厚有關(guān)，因此在相同的蝕刻速率下難以保證階梯線路寬度相同[4]，而要想使階梯線路寬度相同，需要兩次蝕刻才能完成，這樣便增加了階梯線路制作的難度和工藝的復(fù)雜性，同時(shí)造成了線路板成本的增加。為了解決這個(gè)問題，深圳崇達(dá)[5]提出了一種制作階梯線路的方法：首先在板面蝕刻出圖形線路，然后用干膜覆蓋不需要加厚的線路，最后對(duì)需要加厚的線路圖形進(jìn)行圖形電鍍。但是這種方法有明顯的缺點(diǎn)：第一，在電鍍階段，由于線路很細(xì)，直接對(duì)線路進(jìn)行電鍍很難保證同一根線路銅厚的均勻性；第二，要保證階梯處線路連接良好，對(duì)技術(shù)的要求非常高，并且成本很大，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

本文擬在自制的15 μm/45 μm階梯板[4]上制作75 μm寬的精細(xì)階梯線路。通過探究蝕刻補(bǔ)償量與線寬的關(guān)系以尋求合適的蝕刻補(bǔ)償量，繼而應(yīng)用到75 μm寬階梯線路的制作過程中，期望得到一種低成本、高質(zhì)量的階梯線路制造方法，也為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器及材料

LEE250型銅厚測試儀，天津順諾；PT-I-I垂直電鍍線，F(xiàn)acility；VeriSmart LDI曝光機(jī)，Orbotech；UH-DES 30M line水平顯影+蝕刻+退膜線，宇宙；CSL-A25E自動(dòng)貼膜機(jī)，志圣；GRC-7N自動(dòng)涂布機(jī)，群翊；XK22線寬量測儀，愛思達(dá)；JX23金相顯微鏡，廣東正業(yè)；XL30掃描電鏡，Philips。

生益雙面覆銅板(80 μm 1080PP +15 μm 銅箔)，HITACHI DG38干膜(膜厚 28 μm)，深樂健液態(tài)感光油墨，CuSO4體系電鍍液，Na2CO3體系顯影液，酸性CuCl2?HCl體系蝕刻液，NaOH體系退膜液。

1.2 階梯板的制作

(1) 將銅厚為15 μm的雙面覆銅板裁剪成為468 mm × 412 mm的規(guī)格。

(2) 在溫度130 °C和壓力0.5 MPa的條件下以1.7 m/min的速率在覆銅板表面熱壓干膜。

(3) 對(duì)上述覆銅板的234 mm × 412 mm區(qū)域進(jìn)行曝光，曝光能量為45 MJ/cm2。

(4) 用顯影液噴淋覆銅板露出的待電鍍區(qū)域，顯影速率3.8 m/min，上壓力0.20 MPa，下壓力0.17 MPa。

(5) 以1.3 A/dm2的電流密度對(duì)顯影區(qū)進(jìn)行電鍍，時(shí)間70 min，使銅厚增加到45 μm。

(6) 使用退膜液褪去覆銅板表面干膜，此時(shí)所得到的階梯線路板簡稱為15 μm/45 μm階梯板。

1.3 蝕刻補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)

將15 μm/45 μm的階梯板平均劃分為234 mm × 34.33 mm的24個(gè)區(qū)，其中包含12個(gè)45 μm厚區(qū)域(依次編號(hào)為1?12)以及12個(gè)15 μm厚區(qū)域(依次編號(hào)為13?24)，見圖1。每個(gè)區(qū)域均設(shè)計(jì)有12根孤立線路。對(duì)于編號(hào)為1?12的區(qū)域，按式(1)設(shè)定蝕刻補(bǔ)償量。例如6號(hào)區(qū)域，按式(1)算得其蝕刻補(bǔ)償量為38 μm，即在蝕刻之前利用CAD設(shè)計(jì)的線寬為75 μm + 38 μm = 113 μm。對(duì)于編號(hào)為13?24的區(qū)域，按式(2)設(shè)定蝕刻補(bǔ)償量x。

其中a1和a2分別是經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)得出的15 μm和45 μm銅厚區(qū)域的原始補(bǔ)償量，a1= 13 μm，a2= 38 μm；b是蝕刻補(bǔ)償?shù)牟綌?shù)，取5 μm；N是區(qū)域的標(biāo)號(hào)。

圖1 補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)的線路排版Figure 1 Layout of conductive lines for compensation experiment

1.4 階梯線路的制作

按上述設(shè)計(jì)在15 μm/45 μm階梯板上涂布液態(tài)感光油墨，曝光、顯影后蝕刻、褪膜。相關(guān)工藝參數(shù)如下：涂布溫度95 °C，涂布速率2.5 m/min，厚度約為8 μm；顯影速率2.5 m/min，顯影上壓力0.22 MPa，顯影下壓力0.19 MPa；蝕刻速率2.0 m/min，蝕刻上壓力0.25 MPa，蝕刻下壓力0.22 MPa。

1.5 75 μm寬階梯線路的制作

取3塊按1.2節(jié)制作的15 μm/45 μm階梯板，每塊階梯板表面平均劃分為234.00 mm × 41.20 mm的20個(gè)區(qū)域，15 μm及45 μm銅厚區(qū)各10個(gè)，每個(gè)區(qū)域均設(shè)計(jì)30條線寬為75 μm的孤立線路(見圖2)。按1.4節(jié)的流程制作線路后，隨機(jī)從每個(gè)區(qū)域的30條線路中抽取5條進(jìn)行檢測。

圖2 15 μm/45 μm 階梯板上 75 μm線路的排版Figure 2 Layout of 75 μm-wide lines on a 15 μm/45 μm stair-stepped copper-clad laminate

1.6 檢測方法

1.6.1 銅層厚度

采用銅厚測試儀對(duì)所制作的階梯板上45 μm銅厚區(qū)的表面進(jìn)行測量，然后選取不同的位置打磨切片，用金相顯微鏡測量銅厚。1.6.2 蝕刻因子

蝕刻因子是衡量精細(xì)線路品質(zhì)最重要的指標(biāo)。蝕刻因子越大，表明側(cè)蝕越小，線路的橫截面越近似于矩形，線路的質(zhì)量越好[6]；相反地，蝕刻因子越小，表明側(cè)蝕越大，線路的橫截面越類似于梯形，這將影響線路的阻抗[7]。蝕刻因子按式(3)計(jì)算，其中各參數(shù)的含義示于圖3。

1.6.3 線寬及線路形貌

采用線寬測量儀測量線路寬度，利用掃描電子顯微鏡觀察線路形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 15 μm/45 μm 階梯板厚度的檢測

在所制備的階梯板45 μm銅厚區(qū)表面隨機(jī)選取15個(gè)點(diǎn)(如圖4所示)來測量板面銅厚，結(jié)果誤差在±3.5 μm范圍內(nèi)，滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。圖5為15 μm/45 μm階梯板在金相顯微鏡下的截面照片。

2.2 線寬與蝕刻補(bǔ)償之間的關(guān)系

如圖6所示，線寬y的自然對(duì)數(shù)與蝕刻補(bǔ)償量x線性相關(guān)。式(4)和式(5)分別為階梯板上15 μm和45 μm銅厚區(qū)域的蝕刻方程。

在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，15 μm銅厚的區(qū)域補(bǔ)償62.15 μm，45 μm銅厚的區(qū)域補(bǔ)償38.23 μm后，能夠使蝕刻之后的線寬達(dá)到75 μm。

圖3 蝕刻因子計(jì)算示意圖Figure 3 Schematic diagram for calculating the etching factor

圖5 階梯板的金相截面照片F(xiàn)igure 5 Sectional metallographic image of the fabricated stair-stepped copper-clad laminate

2.3 75 μm寬階梯線路的質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.3.1 線寬的均勻性

印制電路企業(yè)一般要求線路寬度的誤差不超過±7%，即要求75 μm的線路寬度控制在69.75 ～ 80.25 μm的范圍內(nèi)。由圖7可知，階梯線路中15 μm銅厚區(qū)域的線寬最大平均值為77.82 μm，最小平均值為70.99 μm；45 μm銅厚區(qū)域的線寬最大平均值為78.22 μm，最小平均值為71.37 μm?？梢姴煌瑓^(qū)域的線寬均在臨界范圍之內(nèi)，符合制作要求。

圖6 蝕刻補(bǔ)償量與線寬之間的關(guān)系Figure 6 Relationship between etching compensation and line width

圖7 15 μm/45 μm階梯板不同區(qū)域上線路的平均線寬Figure 7 Average width of the lines located in different regions on a 15 μm/45 μm stair-stepped copper-clad laminate

從表1可以看出，3塊階梯板上15 μm銅厚區(qū)的最大線寬為79.70 μm，最小線寬為70.20 μm，平均值在72.57 ～ 75.28 μm之間；45 μm銅厚區(qū)的最大線寬為80.10 μm，最小線寬為69.80 μm，平均值在73.15 ～75.52 μm之間。由此證明，本文所提出的工藝穩(wěn)定性較好，可應(yīng)用于大批量的工業(yè)生產(chǎn)。

表1 3塊15 μm/45 μm階梯板上階梯線路線寬的比較Table 1 Comparison between the widths of lines on three 15 μm/45 μm stair-stepped copper-clad laminates

2.3.2 線路的微觀形貌

圖8左側(cè)為75 μm線寬階梯板的15 μm銅厚區(qū)，右側(cè)為45 μm銅厚區(qū)，兩區(qū)域連接處沒有出現(xiàn)斷路現(xiàn)象。

由圖9可以看出，不同區(qū)域的線路表面連接性好，沒有出現(xiàn)斷路，并且線路比較光滑，滿足印制板的可接受性要求(IPC-A-600H–2010)。

圖8 15 μm/45 μm階梯板上75 μm階梯線路的金相照片F(xiàn)igure 8 Metallographic image of the 75 μm-wide lines on a 15 μm/45 μm stair-stepped copper-clade laminate

圖9 75 μm線寬15 μm/45 μm階梯板上不同銅厚線路的電鏡照片F(xiàn)igure 9 Scanning electron microscopic images of the 75 μm-wide lines on a 15 μm/45 μm stair-stepped copper-clad laminate

2.3.3 蝕刻因子

根據(jù)圖10算得15 μm和45 μm銅厚區(qū)域的蝕刻因子分別為6.4和2.88，均在可接受的范圍內(nèi)。

圖10 75 μm線寬15 μm/45 μm階梯板上不同銅厚線路的金相截面照片F(xiàn)igure 10 Sectional metallographic images of the 75 μm-wide lines on a 15 μm/45 μm stair-stepped copper-clad laminate

3 結(jié)論

本文提出的在15 μm/45 μm階梯線路板上制作75 μm寬階梯線路的方法簡單、可靠，可廣泛應(yīng)用于階梯線路的制作。

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Fabrication of 75 μm-wide conductive lines on a 15 μm/45 μm stair-stepped copper-clad laminate

LI Xiao-wei

A process for fabricating 15 μm/45 μm stair-stepped copper-clad laminates with 75 μm-wide fine lines was developed.A 15 μm/45 μm stair-stepped copper-clad laminate is initially prepared based on a double-sided copper-clad laminate with a copper thickness of 15 μm by copper electroplating, and then the 75 μm-wide conductive lines are produced via etching compensation.The stair-stepped conductive lines were evaluated by line width measurement, microscopic morphology observation and etching factor calculation.The results showed that the process can produce conductive lines with high accuracy, good quality and reduced costs.

stair-stepped copper-clad laminate; conductive line; etching compensation; copper thickness; etching factor

TN41

A

1004 – 227X (2017) 21 – 1137 – 05

10.19289/j.1004-227x.2017.21.005

Author’s address: Department of Laboratory Management, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China

2017–04–11

2017–10–15

李曉蔚（1989–），女，甘肅白銀人，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)橛≈齐娐返闹谱鳌?/p>

作者聯(lián)系方式：(E-mail) 729329778@qq.com。

[ 編輯：溫靖邦 ]