印制板上超小線接合盤制作研究

何思良 紀(jì)成光 黃俊輝

（生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

0 前言

目前光模塊封裝已經(jīng)廣泛應(yīng)用COB（Chip on Board,板上芯片封裝）,技術(shù),是指通過膠貼片工藝將芯片或者光組件固定在印制電路板（PCB）上,然后通過金線鍵合進(jìn)行電氣連接,最后頂部滴灌封膠。COB的核心其實就是芯片接合（die bond）和線接合（wire bond）。前者用于貼片,固定芯片；后者用于金屬線鍵合,實現(xiàn)電氣連接。

對于PCB而言,其主要控制點就是連接盤的平整度以及線接合連接盤（以下稱WB Pad）頂部的尺寸。隨著光模塊小尺寸、高密度的發(fā)展趨勢,其對PCB的布線密度、WB Pad尺寸提出更高的需求。業(yè)內(nèi)常見設(shè)計線寬/線距為100/100 μm,但部分短距光模塊產(chǎn)品上已經(jīng)出現(xiàn)89/89 μm的WB Pad設(shè)計,部分客戶明確提出75/75 μm 、65/65 μm的尺寸需求。

但是采用我司當(dāng)前藥水、設(shè)備及補(bǔ)償規(guī)則進(jìn)行制作,50/50 μm 及65/65 μm WB Pad大小分別為約20 μm、38 μm,且形狀為“麥穗狀”,前端非常小,如圖1所示。

圖1 WB Pad蝕刻后尺寸測試圖

根據(jù)我司藥水、設(shè)備實際能力進(jìn)行理論分析。我司當(dāng)前2#真空蝕刻機(jī)蝕刻因子約為2.0；但是對于該類超小WB Pad制作,理論蝕刻因子[1]需根據(jù)式（1）進(jìn)行計算（根據(jù)客戶要求,固定蝕刻銅厚為30 μm）：

式中：Y——蝕刻因子；H——蝕刻銅厚；A——單邊側(cè)蝕量；B——單邊毛邊大小。

表1是根據(jù)式（1）計算得出的蝕刻因子理論值,而按照蝕刻因子理論值,通過常規(guī)的補(bǔ)償方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足超小WB PAD的制作,所以需通過一些特殊補(bǔ)償,減小側(cè)蝕量,增大WB Pad。本文主要探討對比WB Pad位置不同的寬度補(bǔ)償、不同的頂部補(bǔ)償以及不同的銅厚條件下制作50/50 μm～89/89 μm超小WB Pad的可行性。

表1 蝕刻因子理論值表

1 試驗方案

1.1 試驗物料、設(shè)備

因本次試驗含50/50 μm等超小線寬/間距設(shè)計,所以選取我司當(dāng)前解析度最高的38 μm厚度干膜和DI曝光機(jī)進(jìn)行試驗。

1.2 試驗方案

通過頂部倒三角補(bǔ)償,實現(xiàn)30 μm銅厚條件下,75/75 μm、89/89 μm WB Pad的制作,20 μm銅厚下65/65 μm WB Pad的制作。三角補(bǔ)償和直線補(bǔ)償如圖2所示,試驗方案如圖3所示。

圖2 WB Pad頂部補(bǔ)償示意圖

圖3 試驗方案表

2 試驗結(jié)果

2.1 WB Pad頂部補(bǔ)償

2.1.1 倒三角補(bǔ)償

因在30 μm銅厚條件下制作50/50 μm和65/65 μm WB Pad難度較大,所以本次試驗固定銅厚20 μm；50/50 μm 、65/65 μm、75/75 μm、89/89 μm WB PAD寬度補(bǔ)償設(shè)計依次為：12.5 μm、22.5 μm、35 μm、37.5 μm。每種試驗條件測試數(shù)據(jù)30個,試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 倒三角試驗結(jié)果統(tǒng)計表 （單位：μm）

圖5 倒三角補(bǔ)償WB Pad蝕刻后尺寸變化趨勢圖

通過上述試驗結(jié)果可知：

（1）在WB Pad頂部增加倒三角的設(shè)計,可增大尖端位置寬度補(bǔ)償；同時,減小蝕刻藥水流量,減緩WB Pad尖端位置藥水交換,有效地降低側(cè)噬量約10～15 μm,增大WB Pad尺寸；

（2）與等腰直角三角形的補(bǔ)償設(shè)計相比,等邊三角形的補(bǔ)償設(shè)計制作的WB Pad尺寸更大,頂部更平整。以75/75 μm設(shè)計為例進(jìn)行分析,主要原因為在倒三角間距一定的情況下,采用等邊三角形的設(shè)計WB Pad縱向補(bǔ)償約為等腰直角三角形的1.7倍,如圖6所示。所以顯影后可明顯地看到,PAD頂部的倒三角補(bǔ)償,但是等腰直角三角形的補(bǔ)償基本被顯影藥水沖掉了,僅可保證顯影后的頂部為直角,所以采用等腰三角形的補(bǔ)償制作的WB Pad頂部為尖角形狀；

圖6 WB Pad頂部不同圖形補(bǔ)償差異對比圖

（3）采用相同的圖形補(bǔ)償時,三角間距越大,WB PAD尺寸越小,主要是因為間距越大,尖端的寬度補(bǔ)償尺寸越小；

（4）在20 μm銅厚條件下,采用等邊三角形的補(bǔ)償方式可滿足65/65 μm、75/75 μm、89/89 μm WB PAD的制作,但無法滿足50/50 μm的制作要求,主要是因為其可進(jìn)行寬度補(bǔ)償空間僅12.5 μm,但在當(dāng)前設(shè)計、制作條件下側(cè)噬量約為30 μm（設(shè)計值——實際值）,50/50 μm WB Pad蝕刻后理論寬度僅為約30 μm。

2.1.2 直線補(bǔ)償

本次試驗固定銅厚20 μm,50/50 μm 、65/65 μm、75/75 μm、89/89 μm,WB Pad寬度補(bǔ)償固定為12.5 μm,對比頂部增加不同寬度直線補(bǔ)償,制作WB Pad的可行性。每種試驗條件測試數(shù)據(jù)30個,試驗結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 直線試驗結(jié)果統(tǒng)計表（單位：μm）

圖8 直線補(bǔ)償WB Pad蝕刻后尺寸變化趨勢圖

從以上試驗結(jié)果可知：

（1）對于10 μm、15 μm的線寬補(bǔ)償,設(shè)計間距＜50 μm時,頂部增加直線補(bǔ)償存在短路問題；對于20 μm、25 μm線寬補(bǔ)償,當(dāng)設(shè)計間距≤75 μm時均存在短路問題；可能是因為間距較小,藥水交換相對較慢,側(cè)蝕量不足,所以存在局部短路問題；

（2）當(dāng)設(shè)計間距≥65 μm時,在顯影過程中,會將10 μm的直線補(bǔ)償膜沖斷,蝕刻時無法起到較好地降低藥水交換作用；設(shè)計間距≥75 μm時,在顯影過程中,會將15 μm的直線補(bǔ)償膜沖斷,蝕刻時也無法起到較好的降低藥水交換作用；所以本實驗中65/65 μm、75/75 μm蝕刻后WB Pad尺寸隨著線寬補(bǔ)償增大而增大；而89/89 μm WB Pad尺寸與線寬補(bǔ)償無明顯線性關(guān)系。頂部增加直線補(bǔ)償?shù)姆绞娇捎行Ы档蛡?cè)蝕量,但其加工窗口較小,不適合推廣應(yīng)用。

2.1.3 銅厚關(guān)系

通過上述試驗可知,等邊三角形的補(bǔ)償設(shè)計可較好地降低側(cè)蝕,增大WB Pad蝕刻后的尺寸,所以本次試驗固定為等邊三角形,間距10 μm,寬度補(bǔ)償分別為：12.5 μm、22.5 μm、35 μm、37.5 μm。對比10 μm、20 μm、30 μm銅厚對WB Pad尺寸的影響。

從圖9、圖10試驗結(jié)果可知：

圖9 銅厚試驗結(jié)果統(tǒng)計表（單位：μm）

圖10 不同銅厚條件下WB Pad蝕刻后尺寸變化趨勢圖

（1）銅厚與WB Pad尺寸為負(fù)相關(guān)關(guān)系,相同的WB Pad設(shè)計、補(bǔ)償方式制作,銅厚越厚,尺寸越小,主要是因為銅厚越厚,側(cè)蝕量越大,按照以上方式制作時10 μm、20 μm、30 μm銅厚的側(cè)蝕量（包含毛邊）分別為20 μm、30 μm、40 μm（不同寬度設(shè)計略有差異）；

（2）當(dāng)銅厚為10 μm時,按照以上方式制作,可滿足50/50 μm、65/65 μm、75/75 μm、89/89 μm WB Pad尺寸要求；

（3）當(dāng)銅厚為20 μm時,可滿足65/65 μm、75/75 μm、89/89 μm WB Pad的制作,但無法滿足50/50 μm WB Pad制作；

（4）當(dāng)銅厚為30 μm時,可制作75/75 μm、89/89 μm WB Pad,但是無法滿足65/65 μm WB Pad制作。

2.1.4 30 μm銅厚

通過上述試驗可知,在WB Pad頂部增加倒三角補(bǔ)償后可大大降低蝕刻藥水的側(cè)蝕量,75/75 μm、89/89 μm的WB Pad頂部尺寸分別為71～86 μm、82～92 μm,遠(yuǎn)大于WB Pad尺寸要求,所以其寬度補(bǔ)償可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。本次試驗固定30 μm銅厚,頂部等邊三角形補(bǔ)償,間距10 μm,對比不同的寬度補(bǔ)償制作75/75 μm、89/89 μm WB Pad的可行性,而65/65 μm WB Pad需銅厚≤20 μm,且補(bǔ)償后間距僅40 μm,尺寸才可滿足需求,所以本次試驗不再進(jìn)行研究。

從圖11、圖12試驗結(jié)果可知,當(dāng)銅厚≤30 μm時,通過在頂部增加等邊三角形的補(bǔ)償,75/75 μm、89/89 μm WB Pad寬度補(bǔ)償可設(shè)計為30 μm、25 μm。

圖11 WB Pad寬度補(bǔ)償試驗結(jié)果統(tǒng)計表（單位：μm）

圖12 不同WB Pad寬度補(bǔ)償蝕刻后尺寸變化趨勢圖

綜上,通過在頂部增加等邊三角形的補(bǔ)償方式,可有效降低蝕刻過程中WB Pad位置的藥水交換,降低側(cè)蝕量,實現(xiàn)超小WB Pad的制作。具體補(bǔ)償方式如表2所示。

表2 WB Pad嘗試方式表（單位：μm）

3 結(jié)論

本文通過對比發(fā)現(xiàn)在WB Pad頂端增加直線、等邊三角形兩種方式均可有效地降低WB Pad位置的側(cè)蝕量。增加直線的補(bǔ)償方式加工窗口較小,若藥水或者設(shè)備等生產(chǎn)條件波動無法保證制作效果,不適合推廣應(yīng)用；而等邊三角形的補(bǔ)償方式,其補(bǔ)償量有較大的調(diào)整空間。所以本文主要針對其進(jìn)行研究,并輸出不同尺寸對應(yīng)的補(bǔ)償方式,實現(xiàn)30 μm銅厚條件下,75 μm/75 μm、88.9 μm/88.9 μm WB Pad的制作,20 μm銅厚下63.5 μm/63.5 μm WB Pad的制作,以及10 μm條件下50.8 μm/50.8 μm WB Pad的制作。

但本文僅在我司現(xiàn)有物料、設(shè)備條件下進(jìn)行,具有一定局限性。如參考mSAP（改進(jìn)型半加成法）等精細(xì)線路工藝路線的制作方式,或者采用其物料、設(shè)備可能還會有更簡單的制作方法。