印制板制造中量化蝕刻研究

韓雪川 王星星

（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

0 引言

高頻與高速信號傳輸質量與印制電路板（PCB）的阻抗是否匹配有著密不可分的聯(lián)系，在第5代移動通信技術（5G）大規(guī)模商用的背景下，信息傳輸日益趨向高頻化與高速化，因此對PCB的阻抗能力提出了更嚴格的要求[1]-[3]。

對于PCB非電鍍的內層線路而言，影響阻抗的因素主要是線路寬度（簡稱線寬）和介質層厚度（簡稱介厚）[4]-[9]。在理想的情況下，只要把線路寬度和介質層厚度做到與客戶所設計的一致，就能達到阻抗匹配的目的，但是在實際生產的情況下，要把線路寬度和介質層厚度做到與客戶所設計的一致是一件非常具有挑戰(zhàn)性的事情。

目前，行業(yè)內大多是通過控制蝕刻首件的線路寬度來控制批量件的線寬[9]-[14]，其管控的首件線寬公差通常為客戶設計線寬值±5%到±10%，一般做1到3次首件才能達到管控要求，而以此首件參數(shù)加工的批量件線寬分布可能偏離客戶設計值的±10%，最終造成阻抗不匹配而導致批量報廢事故發(fā)生。若首件線寬按照客戶設計線寬值±1%控制，則往往會導致多次首件不合格而反復調整參數(shù)重做首件，造成等待浪費，并且生產效率也不理想。

基于此，本工作擬建立一套模型，在不犧牲效率、不增加經(jīng)營成本的前提下，在二次首件以內將首件線寬控制在客戶設計線寬中值±1%以內，從而提升批量件的線寬準確度。

1 原理及機理分析

蝕刻是控制線寬的一個關鍵工序。通常，一個新的料號在進行蝕刻批量加工之前都需要做首件，然后根據(jù)實際線路寬度與設計值所允許的公差范圍來判斷首件是否合格，合格之后再進行批量生產。否則，則需要調整生產參數(shù)，然后重做首件，直至合格。而參數(shù)的調整一般依據(jù)的是操作者的經(jīng)驗，為盡量降低首件的次數(shù)并減小首件線寬與設計線寬中值之間的差異，提升線寬控制準確度，本工作擬建立數(shù)學模型用于快速優(yōu)化首件的蝕刻線速。

對于蝕刻制程而言，由于蝕刻機的長度是固定的，其實質是板件在蝕刻機中的有效反應時間（蝕刻線速）的變化引起線寬的變化。那么通過實驗就可以得到不同的有效反應時間的對應的線寬變，通過函數(shù)擬合就可以得到時間與線寬的函數(shù)關系式，再對此函數(shù)進行求導就可以得到線寬變化速率。當沒有光致抗蝕層阻擋的銅面區(qū)域，其銅面蝕刻速率較快，線寬變化速率也很快；當蝕刻到一定深度后，光致抗蝕層對銅面有保護作用，蝕刻速率較慢，線寬變化速率也很慢?，F(xiàn)把光致抗蝕層寬度與線路寬度之差稱為膜線差。

圖1、圖2展示了線寬變化量、反應時間變化量、線寬變化速率之間的關系。線寬變化速率在有效反應時間變化量上的累積就是需要達到的線寬的變化量（如圖1、圖2△S所示）；批量件的線寬理論上應與設計值一致，因此目標膜線差在蝕刻之前就已經(jīng)確定了，線寬的變化率也是確定的。因此只需要知道第一次首件狀態(tài)的線寬變化速率就可以得到首件到批量件的有效反應時間變化量，而第一次首件的線寬變化速率可以通過光致抗蝕層與實測首件線寬差確定；最終蝕刻機有效長度除以有效時間變化量與首件有效反應時間之和即為最優(yōu)首件蝕刻線速也即批量件的蝕刻線速（下述統(tǒng)稱批量件蝕刻線速）。

圖1 線寬與有效反應時間的關系圖

圖2 線寬變化速率與有效反應時間的關系圖（可由圖1求導得到）

2 模型的建立

設第一次首件在蝕刻機中的有效反應時間為t0，設蝕刻機的有效長度為L，設首件的蝕刻線速為V0，如式（1）所示：

圖3、圖4所示為批量件光致抗蝕層寬度與線路寬度的狀態(tài)，設此狀態(tài)對應的線寬為S1（S1在理想狀態(tài)下是線寬設計值），光致抗蝕層寬度與批量件實測線寬的差值為α1，如式（2）所示：

圖3 第一次首件光致抗蝕層寬度與線路寬度的狀態(tài)

圖4 調整后批量件光致抗蝕層寬度與線路寬度的狀態(tài)

設批量件對應的蝕刻線速為V1，設批量件在蝕刻機中的有效反應時間為t1，設批量件相對于第一次首件其有效反應時間的變化量為，如式（3）所示：

其中，V1是本模型最終需要求的量。設線寬變化的速率為k，如式（4）所示：

當?shù)谝淮问准r對應的線寬變化速率為K0，設批量件時對應的線寬變化速率為K1。從第一次首件到批量件，其平均的線寬變化速率如式（5）所示：

如取HVLP覆銅板11塊，表面銅厚15 μm，經(jīng)表面清潔后貼干膜，干膜厚度30 μm，然后經(jīng)過LDI（激光直接成像技術）曝光繪制成線路110 μm、間距110 μm的光致抗蝕圖形。分別對曝光后的覆銅板進行顯影、蝕刻、退膜。其中顯影和退膜的參數(shù)一致，11塊板件對應不同蝕刻線速，經(jīng)蝕刻后分別測量每塊板件對應的線寬，每塊板件對應的取樣點≥25個，以平均值作為最終的線寬，并得到對應的膜線差。蝕刻機的有效長度L為4.7 m，因此不同蝕刻線速有對應的反應時間，有關數(shù)據(jù)見表1。

將反應時間對應的線寬進行函數(shù)擬合，得到擬合方程為式（6）所示：

其中S代表線寬，t代表有效反應時間。對式子（6）進行求導，得到線寬變化速率函數(shù)如式（7）所示：

不同的蝕刻機以及不同銅厚的板件其表達式可能不同，但建立該式子的方法相同。將反應時間（表1數(shù)據(jù)）分別代入到式（7）中得到不同的k，然后將k和膜線差（表1數(shù)據(jù)）進行函數(shù)擬合，得到表達式見式（8）所示：

表1 線路蝕刻數(shù)據(jù)表

第一次首件狀態(tài)的線寬變化速率，見式（9）所示：

批量件的線寬變化速率，見式（10）所示：

通過式（1）～式（10）可得式（11）～式（13）。

其中，a，S1在蝕刻之前就已確定，V0、S0在第一次首件后確定，L的有效長度是固定不變的，本論文中L為4.7 m，因此式（11）式（12）中只有一個未知數(shù)V1，V1即所預測的批量件的蝕刻線速。

此模型是根據(jù)第一次首件線寬與設計線寬的差值對蝕刻線速進行量化調整，因此，我們稱此模型為量化蝕刻模型。

3 蝕刻模型驗證

為了驗證該模型用于首件線寬調整的有效性，隨機抽取了5個料號進行了測試，銅箔厚度均為約15 μm。經(jīng)貼膜、曝光、顯影、蝕刻后分別用自動線寬測量儀測量每個料號，第一次首件的最小線寬（測量10個以上不同的位置，取均值），將首件線寬均值超出設計值1%的料號通過模型給出的預測蝕刻線速[以式（11）、式（12）計算]進行生產，然后再對板件的最小線寬進行測量（測量10個以上不同的位置，取均值），線寬測量結果如表2所示。

表2 蝕刻模型驗證結果表

從實際的實驗結果來看，模型調整后的線寬平均值與設計值的差值均維持在1 μm以內，所以這個模型是可以接受的。若第一次首件線寬均值與設計線寬相差較大，則可能需要多次首件來迭代。

4 自動化方案擬實現(xiàn)步驟

從通過掃碼自動調取首件配方參數(shù)，到蝕刻機執(zhí)行經(jīng)模型調整后的線速進行批量生產，步驟見圖5所示。

圖5 量化蝕刻模型自動化方案擬實現(xiàn)步驟圖

6 結論與展望

本項目建立了一套量化蝕刻模型，該模型經(jīng)過驗證能夠有效地實現(xiàn)對PCB線寬的精確控制。該模型通常根據(jù)1次首件調整線速后就能使批量線寬達到合格，提升阻抗的匹配度；同時可以節(jié)約人力資源和設備資源的大量等待時間，提高生產效率。該模型配合自動化方案，可以全程實現(xiàn)自動化，以進一步地提升生產效率。

本論文所提出的模型是基于本公司內部的蝕刻設備及加工方法所建立的，不同的蝕刻設備、不同銅厚的板件可能存在不同的模型，但仍然可以根據(jù)本論文所提出的方法重新建立模型。同時，該模型對于外層線路寬度的控制也有一定的參考意義。