高速印制電路板外層蝕刻線寬均勻性提升探討

王世清 周 斌 李金鴻 雷 川

（公司重慶方正高密電子有限公司，重慶 401332）

0 前言

隨著印制電路板（PCB）的高速化及高密度的發(fā)展，對(duì)蝕刻線寬均勻性能力提出較高挑戰(zhàn)。其表現(xiàn)在存儲(chǔ)器、高端路由器、高端服務(wù)器等為代表的產(chǎn)品,阻抗控制到±8%，甚至更低，這對(duì)PCB線寬能力要求必須達(dá)到±8.89 μm，Cpk≥1.33，其阻抗才能滿足±8%要求。但當(dāng)前有些蝕刻線設(shè)計(jì)水平在10年前，蝕刻段設(shè)計(jì)噴嘴類型和排布設(shè)計(jì)比較單一，不適合高速PCB的密集線路的生產(chǎn)。

本文從實(shí)際生產(chǎn)PCB外層板（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)銅厚55 μm，線路101.6 μm/101.6 μm）過程中遇到的線寬均勻性問題，經(jīng)模擬驗(yàn)證，在不改變蝕刻設(shè)備整體設(shè)計(jì)（整體流量400 L/min、整體壓力0.25 MPa、噴頭材料Kynar、噴頭數(shù)量16個(gè)/組、噴射角度65°）前提下，通過調(diào)整蝕刻噴頭類型和排布來提升線寬均勻性，效果顯著。

1 現(xiàn)況分析

1.1 設(shè)備分析

某堿性蝕刻線（X廠商）蝕刻段設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 蝕刻段設(shè)計(jì)表

從蝕刻段設(shè)計(jì)看出如下幾點(diǎn)。

（1）蝕刻1段為主蝕段，蝕刻2段為左右補(bǔ)償段，蝕刻3為前后補(bǔ)償段；

（2）在排布銅厚均勻性影響的條件下，蝕刻線寬均勻性主要影響為蝕刻1段；

（3）蝕刻段噴頭噴射類型主要為扇形噴頭，主蝕段1全為扇形噴頭，橫向排布。

1.2 生產(chǎn)板線寬差異分析

（1）設(shè)計(jì)測(cè)試板銅厚50 μm（基銅35 μm+鍍銅20 μm，模擬正常堿蝕板一銅銅厚），尺寸510×610 mm（20"×24"），設(shè)計(jì)線路L/S：101.6/101.6 μm（4/4 mil），不同線路圖形設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 不同線路圖形設(shè)計(jì)

（2）按照以上測(cè)試板設(shè)計(jì)，過蝕刻線確認(rèn)線寬（線寬按101.6±12.7 μm）均勻性分布如圖2所示。

圖2 改善前101.6/101.6 μm線不同方向的過程能力

從以上數(shù)據(jù)看出，橫向線與豎向線線寬差異10.16～12.7 μm，導(dǎo)致整體線寬Cpk0.9，線寬均勻性差。

（3）品質(zhì)案例。此設(shè)計(jì)蝕刻線，在正常生產(chǎn)板生產(chǎn)過程中，銅厚在55～65 μm之間，因橫向與豎向線寬極差表現(xiàn)明顯同樣發(fā)現(xiàn)阻抗極差較大情形。如圖3所示為某品字形排版料號(hào)，客戶阻抗條設(shè)計(jì)，實(shí)際阻抗數(shù)據(jù)差異較大見圖4所示。

圖3 不同方向排列的線路示例

圖4 不同方向排列的線路阻抗對(duì)比

從阻抗數(shù)據(jù)表現(xiàn)看，豎向樣板1、樣板2與橫向樣板3阻抗差異12 Ω，橫向線寬平均小12.7 μm。

從以上現(xiàn)況分析，蝕刻1段扇形噴嘴+橫向排布對(duì)橫向線咬蝕速率快，豎向線寬咬蝕速率慢，是導(dǎo)致線寬均勻差的主要原因。后面改主要針對(duì)蝕刻1段進(jìn)行改善驗(yàn)證其對(duì)線寬影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 噴頭分類

噴頭種類多達(dá)千種以上，噴頭類型常從噴射出的形狀、螺紋大小、噴霧效果、材料等因素進(jìn)行區(qū)分種類。具體可分為兩大類：（1）噴射型噴頭：扇形噴頭、實(shí)心錐形噴頭、空心噴頭、液柱流噴頭等；（2）噴霧型噴頭：環(huán)保噴頭、除塵噴頭、冶金噴頭、噴涂噴頭、清洗噴頭、噴射冷卻噴頭常見材質(zhì)有303、304、316、2205不銹鋼材質(zhì)，哈氏合金材質(zhì)、碳化硅、PVDF（聚偏氟乙烯）、PP（聚丙烯）、塑膠[PVC（聚氯乙烯）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、FUD（氟樹脂聚合物）]、陶瓷等材質(zhì)。

2.2 噴頭在PCB中的應(yīng)用

（1）噴頭在PCB生產(chǎn)中的常見應(yīng)用如下。

①顯影、沖洗、除膜—Kynar，ProMax扇形噴頭；

②蝕刻—Kynar，ProMax扇形噴頭、實(shí)心錐形噴頭；

③清理毛口、磨板清洗—VeeJet，WashJet高壓扇形噴頭；

④磨板清洗-VeeJet，WashJet高壓扇形噴頭；

⑤各程序間風(fēng)屏—WindJet吹風(fēng)噴頭。

在PCB線路蝕刻工藝中，噴頭主要用到有Kynar，ProMax扇形噴頭、錐形（實(shí)心）噴頭。

（2）其主要原理如下。

①扇形噴頭：扇形噴頭設(shè)計(jì)是能發(fā)生高沖擊力的扇形噴霧，噴霧形成了直線型打擊模式，使得單位面積上提供更大的打擊力度，切向速度快，常見扇形噴頭噴霧角度為0～110°。扇形噴頭噴射出來的噴霧分布均勻，液滴巨細(xì)為小到中等。當(dāng)需要若干扇形噴頭發(fā)生堆疊噴霧時(shí)，具有特征的逐步變細(xì)的扇形噴頭邊使噴霧覆蓋區(qū)散布均勻。

②錐形噴頭：能噴射出錐形環(huán)狀噴霧，噴霧顆粒分布均勻。錐形噴頭能噴射出細(xì)小的霧化顆粒，具有大而暢的流通道，能減少堵塞的現(xiàn)象發(fā)生。錐形噴頭帽具有寬角噴霧類型，噴射角度廣。

扇形與錐形兩者噴霧類型對(duì)比見圖5所示。

圖5 錐形噴頭和扇形噴頭的噴射形態(tài)

2.3 噴頭設(shè)計(jì)與排布驗(yàn)證

PCB蝕刻工藝中，蝕刻1段為主要影響段。根據(jù)噴頭原理將蝕刻1段14組噴管做對(duì)比測(cè)試（見圖6所示），觀察對(duì)線路線寬均勻性影響。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程，對(duì)不同的噴管進(jìn)行設(shè)計(jì)排布，用1.2節(jié)中提到的相同測(cè)試板，進(jìn)行線寬均勻性驗(yàn)證。

（1）按照測(cè)試板各線路圖形（橫向、豎向、圓形、45°、135°）量測(cè)數(shù)據(jù)各10組，共50組，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（線寬按照±12.7 μm統(tǒng)計(jì)）結(jié)果見圖7所示。

圖7 蝕刻線噴頭設(shè)計(jì)排布后線寬均勻性結(jié)果

從以上數(shù)據(jù)看出線寬均勻性品質(zhì)優(yōu)先順序?yàn)椋涸O(shè)計(jì)4＞設(shè)計(jì)3＞設(shè)計(jì)2＞設(shè)計(jì)1＞原設(shè)計(jì)。

（2）新設(shè)計(jì)4 方案蝕刻，按照線路L/S：101.6 μm/101.6 μm±8.89 μm管控，對(duì)不同方向布設(shè)的線路進(jìn)行了測(cè)量（見圖8所示），其品質(zhì)都符合要求。線寬按照±8.89 μm管控，Cpk仍舊高達(dá)1.69，對(duì)阻抗控制到±8%完全可以滿足。所以，按照設(shè)計(jì)方案4測(cè)試效果最佳。

圖8 線路測(cè)量

以上僅是廠內(nèi)一條生產(chǎn)線測(cè)試結(jié)果，設(shè)計(jì)方案4的線寬品質(zhì)表現(xiàn)最佳，主要還是其噴射覆蓋面積或者說噴射方向，有扇形噴頭覆蓋方向和錐形噴頭覆蓋方向存在互補(bǔ)關(guān)系?；パa(bǔ)關(guān)系從原始設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)1中有規(guī)律可循：原設(shè)計(jì)中扇形噴頭所噴射出的藥水覆蓋基本是重疊無間隙（如圖9所示），噴射方向的速率更高。

圖9 原蝕刻線噴頭設(shè)計(jì)排布

設(shè)計(jì)方案1中錐形噴頭噴射角度均勻，覆蓋面積有部分未重疊，未重疊部分按照面積計(jì)算占比約22%（圖10的A區(qū)域），固橫向線寬相關(guān)方向相對(duì)減少22%蝕刻藥水攻擊，在線寬品質(zhì)上表現(xiàn)出橫向線寬小7.62 μm左右。

圖10 設(shè)計(jì)方案1的蝕刻線噴頭設(shè)計(jì)排布

小結(jié)：從以上實(shí)際結(jié)果看出，2組扇形噴頭+2組錐形噴頭搭配，能有效提升線寬均勻性，線寬Cpk能力提升1.4以上，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)論

從以上測(cè)試結(jié)果看出，調(diào)整蝕刻段噴頭及排布能有效提升外層線寬均勻性，對(duì)應(yīng)阻抗均勻性應(yīng)有良好提升。錐形噴頭噴出藥水因覆蓋在線路板上面積有部分不重疊，影響線寬某一方向蝕刻銅速率。扇形噴頭對(duì)平行于同一水平線切向速率較快，垂直方向受阻力影響速率降低（銅越厚越明顯）。故兩者需綜合搭配才能在各個(gè)方向?qū)⑽g刻銅速率控制在穩(wěn)定范圍，線寬均勻性才能達(dá)到最佳。