精細(xì)埋阻制作精度分析及改善

劉 涌

（上海美維電子有限公司，上海 201613）

0 前言

電子設(shè)備微型化、元件高密度化、高性能化的要求推動了PCB和IC封裝中埋入無源式元件技術(shù)的發(fā)展，元件的埋入可以有效節(jié)約空間及成本，減小及損耗以提高信號質(zhì)量，且通過表面焊點(diǎn)的減少獲得更高的可靠性。埋電阻是一種重要的埋入無源元件技術(shù)，而其中平面薄膜電阻技術(shù)通過將薄膜電阻材料沉積在銅箔上，因其與普通PCB制程兼容性好，厚度、阻值均勻性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。

埋阻精度的影響因素很多，包括材料本身的精度、需經(jīng)過兩次圖形轉(zhuǎn)移分別制作寬度和長度、制程中電阻穩(wěn)定性等。因此，目前客戶電阻線寬設(shè)計(jì)越來越小（最小達(dá)0.1 mm），電阻長度最長300 mm，方阻值從25Ω/□到250 Ω/□不等，對應(yīng)電阻值從50Ω到500 kΩ，對精度要求越來越高（依據(jù)不同的電阻設(shè)計(jì)客戶會提出不同的公差要求，最小公差要求±5%），給我們帶來很大的挑戰(zhàn)。

1 電阻制作精度分析

一般生產(chǎn)板設(shè)計(jì)4層結(jié)構(gòu)，L1層為埋阻層（包含銅箔及沉積于銅箔上的一層黑灰色Ni-P電阻層），銅厚28 μm，使用50Ω/□材料，Ni-P層厚度200 nm，材料本身公差±5%，設(shè)計(jì)電阻大小100Ω，則方阻值為電阻值×電阻線寬/阻線長度，此設(shè)計(jì)為長度大于寬度的電阻設(shè)計(jì)（如圖1）。

圖1 生產(chǎn)板疊構(gòu)

1.1 制作流程及影響因素

圖2 電阻制作流程

1.2 誤差傳遞及公差計(jì)算

關(guān)于公差，一般采用直接RS、l、w的公差相加的辦法進(jìn)行估算。但如果精確估算，應(yīng)根據(jù)電阻理論公式進(jìn)行計(jì)算。另外，在電阻Ni/P層暴露后會經(jīng)過堿性蝕刻藥水、黑棕化藥水及阻焊前處理藥水的攻擊，Ni/P層的厚度會受到不同程度的影響，且材料不同變化量也差異較大，最大變化量達(dá)80%，我們暫不考慮過程中方阻值的變化。

采用以下方式模擬計(jì)算公差：[Rs方阻是材料固有值，PCB過程會變化嗎？]（式1）。

一般來說，我們假定電阻的長度、寬度公差為±20 μm，即對于長度500 μm×寬度250 μm電阻，長度公差±4%，寬度公差±8%，直接將公差相加得到（式4）。

t=0.04+0.08+0.05=±0.17（±0.17%）而采用上述模擬計(jì)算公式得到：

兩者計(jì)算相差不大。

而對于0.25 mm×0.127 mm的小尺寸電阻，長度公差±8%，寬度公差±16%，直接將公差相加得到：而采用上述模擬計(jì)算公式得到（式5）。

兩者計(jì)算相差較大，且模擬計(jì)算得到的值較大，即對于小尺寸電阻，各因素公差變大，因素間的影響也不可忽略。由此模擬計(jì)算的結(jié)果看，對于小尺寸電阻，公差相比大尺寸電阻會有很大的增加（不僅是長寬公差增加值的簡單相加），且對于方阻數(shù)大于1的設(shè)計(jì)，寬度是關(guān)鍵的控制因素。故我們使用此方法預(yù)估可能的公差，并抓住重點(diǎn)因素加以改善。

1.3 寬度的制作能力

我們根據(jù)多批次生產(chǎn)板的制作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行精確的測量，得到穩(wěn)定的寬度補(bǔ)償量。1.2節(jié)中假定長度、寬度蝕刻公差均在±20 μm，而實(shí)際的公差則需實(shí)際測量確認(rèn)。現(xiàn)以生產(chǎn)板取1set為例，測量寬度長度，從結(jié)果看，寬度制作能力較差，長度制作能力基本可滿足要求，即寬度是電阻制作的關(guān)鍵制約因素，這與預(yù)期結(jié)果一致（見表1）。

2 電阻制作精度改善

從上文分析得到，對于長250 μm ×寬125 μm的小尺寸電阻，需綜合考慮各個影響因素，根據(jù)目標(biāo)值對長度、寬度進(jìn)行精確補(bǔ)償，從而保證電阻中值控制到位；且找到了電阻精度改善的關(guān)鍵因素，即寬度制作，故需從寬度角度進(jìn)行改善。

2.1 生產(chǎn)控制方法改善

針對寬度均勻性差的狀況，需在第二次蝕刻時(shí)進(jìn)行調(diào)整，盡量減小寬度對精度的影響。一般采取第二次蝕刻時(shí)首板確認(rèn)電阻值以調(diào)試蝕刻速度的辦法。我們提出在每個set旁增加一組電阻測試條（與單元內(nèi)設(shè)計(jì)一致）的辦法用于監(jiān)控單元內(nèi)電阻，在第一次圖形制作后測量每片板線寬，并按線寬將板進(jìn)行分組，第二次蝕刻時(shí)每組分別制作首板，調(diào)整蝕刻線速（如圖3、表2、表3）。

以一批板為例對此方法進(jìn)行說明：

（1）第一次蝕刻后按線寬分組：線寬中值控制140 μm，按照14點(diǎn)和9點(diǎn)分別計(jì)算均值，結(jié)果相近，表明測量結(jié)果有一定的代表性，能實(shí)現(xiàn)正確的分組；而取板中間兩排9點(diǎn)可減少取點(diǎn)數(shù)量，且涵蓋板內(nèi)及板邊，也較接近整板均值；

表1 長度寬度制作能力（單位：μm）

圖3 板拼板及生產(chǎn)控制辦法

表2 第一次蝕刻后線寬測量分組辦法

表3 第一次蝕刻后線寬測量分組辦法

（2）第二次蝕刻分組及監(jiān)控：要求首板控制均值100±3 Ω，根據(jù)首板8#結(jié)果（線寬144 μm，速度3.6 m/min，測試條電阻均值98.6 Ω）進(jìn)行分組；批量板第1組（線寬接近首板8#，范圍142.5-145 μm）需適當(dāng)減小蝕刻速度（3.55 m/min），提高阻值，其余按照約線寬每相差5 μm，速度相差0.1 m/min來選擇速度，結(jié)果第1、2、3組的板平均值均在（100±3 Ω）范圍內(nèi)；但5#板的平均值為129.25 μm，離目標(biāo)要求值140 μm最遠(yuǎn)，折算蝕刻速度誤差性最大，結(jié)果表明，5#板選擇速度為3.8 m/min，得到的電阻值仍偏大，分析原因?yàn)榫€寬偏離目標(biāo)值太遠(yuǎn)，第二次圖形僅靠蝕刻速度的調(diào)整無法抵消線寬的偏差，故后續(xù)第一次蝕刻線寬盡可能控制向140 μm中值靠近，對于線寬平均值偏離中值超過±10 μm之外的板，應(yīng)重新修正第二次圖形的曝光底片補(bǔ)償量。電阻監(jiān)控方面，第二排7點(diǎn)的測試條電阻能反映整板的情況，可以通過測量計(jì)算這七個數(shù)據(jù)監(jiān)控。

后續(xù)生產(chǎn)板需要第一次蝕刻時(shí)控制線寬（140±10）μm，每片測量指定位置9點(diǎn)線寬以實(shí)現(xiàn)正確的分檔，第二次蝕刻時(shí)按線寬均值5 μm分檔實(shí)現(xiàn)控制中值到位（見表4）。

在批量板的生產(chǎn)中使用此控制辦法，以其中3批板共90片為例說明制作情況：

（1）第一次蝕刻后線寬：總體均值140.7 μm，每片取中間兩排9點(diǎn)計(jì)算均值，按5 μm一組分為6組；

（2）第二次蝕刻：每組做1片首板，首板要求電阻均值100±3Ω，按照首板測試條電阻均值計(jì)算結(jié)果來調(diào)整整組板的蝕刻速度；批量板蝕刻后以5片/批的頻率抽檢監(jiān)控，每片板測量第二排7個電阻計(jì)算均值，抽檢15片，電阻均值均在99～102 Ω之間。

（3）電阻測試結(jié)果：電阻測試合格率約95.3%，均值99.73Ω，過程中電阻均值公差按照±3%控制，最終成品測試結(jié)果按照客戶要求公差±15%計(jì)算，無論從單片板或者不同蝕刻檔次的電阻結(jié)果看均值都控制在100Ω±3Ω以內(nèi)，分析成品電阻測量數(shù)據(jù)結(jié)果（見表5、圖4）。

結(jié)果看，批量板電阻測試結(jié)果滿足過程能力指數(shù)PPk=1.69，滿足生產(chǎn)要求。

3 結(jié)論

本文主要針對目前客戶電阻設(shè)計(jì)越來越?。ㄗ钚∵_(dá)4 mil），對精度要求越來越高（±15%以內(nèi)）的現(xiàn)狀，對埋阻精度的影響因素，包括材料本身的精度、需經(jīng)過兩次圖形轉(zhuǎn)移分別制作寬度和長度等進(jìn)行研究和分析，并從生產(chǎn)控制及能力提升的角度進(jìn)行改善，將成果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。得出的主要結(jié)論如下：

（1）根據(jù)對埋阻影響因素的誤差傳遞及公差計(jì)算分析，對于小尺寸電阻的公差，各因素公差變大，因素間的影響也不可忽略，故相比大尺寸電阻會有很大的增加，且對于方阻數(shù)大于1的設(shè)計(jì)，實(shí)際生產(chǎn)及理論推斷均表明寬度是是關(guān)鍵的控制因素。

表4 1批板按線寬分組、蝕刻參數(shù)及測試條電阻測量

表5 批量板分組蝕刻制作情況

圖4 成品電阻結(jié)果分析

（2）對于長250 μm ×寬125 μm的小尺寸電阻，提出第二次蝕刻時(shí)按照線寬對板進(jìn)行分組蝕刻的生產(chǎn)控制方法，減小兩次圖形蝕刻帶來的電阻偏差，可保證電阻中值控制到位，良率達(dá)到95%左右，PP長大于1.33。