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(hào)傳輸質(zhì)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(dòng)通信技術(shù)（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(duì)PCB的阻抗能力提出了更嚴(yán)格的要求[1]-[3]。

對(duì)于PCB非電鍍的內(nèi)層線路而言，影響阻抗的因素主要是線路寬度（簡(jiǎn)稱線寬）和介質(zhì)層厚度（簡(jiǎn)稱介厚）[4]-[9]。在理想的情況下，只要把線路寬度和介質(zhì)層厚度做到與客戶所設(shè)計(jì)的一致，就能達(dá)到阻抗匹配的目的，但是在實(shí)際生產(chǎn)的情況下，要把線路寬度和介質(zhì)層厚度做到與客戶所設(shè)計(jì)的一致是一件非常具有挑戰(zhàn)性的事情。

目前，行業(yè)內(nèi)大多是通過(guò)控制蝕刻首件的線路寬度來(lái)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(shè)計(jì)線寬值±5%到±10%，一般做1到3次首件才能達(dá)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(shè)計(jì)值的±10%，最終造成阻抗不匹配而導(dǎo)致批量報(bào)廢事故發(fā)生。若首件線寬按照客戶設(shè)計(jì)線寬值±1%控制，則往往會(huì)導(dǎo)致多次首件不合格而反復(fù)調(diào)整參數(shù)重做首件，造成等待浪費(fèi)，并且生產(chǎn)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(yíng)成本的前提下，在二次首件以內(nèi)將首件線寬控制在客戶設(shè)計(jì)線寬中值±1%以內(nèi)，從而提升批量件的線寬準(zhǔn)確度。

1 原理及機(jī)理分析

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

對(duì)于蝕刻制程而言，由于蝕刻機(jī)的長(zhǎng)度是固定的，其實(shí)質(zhì)是板件在蝕刻機(jī)中的有效反應(yīng)時(shí)間（蝕刻線速）的變化引起線寬的變化。那么通過(guò)實(shí)驗(yàn)就可以得到不同的有效反應(yīng)時(shí)間的對(duì)應(yīng)的線寬變，通過(guò)函數(shù)擬合就可以得到時(shí)間與線寬的函數(shù)關(guān)系式，再對(duì)此函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)就可以得到線寬變化速率。當(dāng)沒(méi)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(dāng)蝕刻到一定深度后，光致抗蝕層對(duì)銅面有保護(hù)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(yīng)時(shí)間變化量、線寬變化速率之間的關(guān)系。線寬變化速率在有效反應(yīng)時(shí)間變化量上的累積就是需要達(dá)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(yīng)與設(shè)計(jì)值一致，因此目標(biāo)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(yīng)時(shí)間變化量，而第一次首件的線寬變化速率可以通過(guò)光致抗蝕層與實(shí)測(cè)首件線寬差確定；最終蝕刻機(jī)有效長(zhǎng)度除以有效時(shí)間變化量與首件有效反應(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間的關(guān)系圖

圖2 線寬變化速率與有效反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系圖（可由圖1求導(dǎo)得到）

2 模型的建立

設(shè)第一次首件在蝕刻機(jī)中的有效反應(yīng)時(shí)間為t0，設(shè)蝕刻機(jī)的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，設(shè)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(shè)此狀態(tài)對(duì)應(yīng)的線寬為S1（S1在理想狀態(tài)下是線寬設(shè)計(jì)值），光致抗蝕層寬度與批量件實(shí)測(cè)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(diào)整后批量件光致抗蝕層寬度與線路寬度的狀態(tài)

設(shè)批量件對(duì)應(yīng)的蝕刻線速為V1，設(shè)批量件在蝕刻機(jī)中的有效反應(yīng)時(shí)間為t1，設(shè)批量件相對(duì)于第一次首件其有效反應(yīng)時(shí)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(shè)線寬變化的速率為k，如式（4）所示：

當(dāng)?shù)谝淮问准r(shí)對(duì)應(yīng)的線寬變化速率為K0，設(shè)批量件時(shí)對(duì)應(yīng)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(guò)LDI（激光直接成像技術(shù)）曝光繪制成線路110 μm、間距110 μm的光致抗蝕圖形。分別對(duì)曝光后的覆銅板進(jìn)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(duì)應(yīng)不同蝕刻線速，經(jīng)蝕刻后分別測(cè)量每塊板件對(duì)應(yīng)的線寬，每塊板件對(duì)應(yīng)的取樣點(diǎn)≥25個(gè)，以平均值作為最終的線寬，并得到對(duì)應(yīng)的膜線差。蝕刻機(jī)的有效長(zhǎng)度L為4.7 m，因此不同蝕刻線速有對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間，有關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

將反應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的線寬進(jìn)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(yīng)時(shí)間。對(duì)式子（6）進(jìn)行求導(dǎo)，得到線寬變化速率函數(shù)如式（7）所示：

不同的蝕刻機(jī)以及不同銅厚的板件其表達(dá)式可能不同，但建立該式子的方法相同。將反應(yīng)時(shí)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(jìn)行函數(shù)擬合，得到表達(dá)式見(jiàn)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(jiàn)式（9）所示：

批量件的線寬變化速率，見(jiàn)式（10）所示：

通過(guò)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(zhǎng)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(gè)未知數(shù)V1，V1即所預(yù)測(cè)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(shè)計(jì)線寬的差值對(duì)蝕刻線速進(jìn)行量化調(diào)整，因此，我們稱此模型為量化蝕刻模型。

3 蝕刻模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該模型用于首件線寬調(diào)整的有效性，隨機(jī)抽取了5個(gè)料號(hào)進(jìn)行了測(cè)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(dòng)線寬測(cè)量?jī)x測(cè)量每個(gè)料號(hào)，第一次首件的最小線寬（測(cè)量10個(gè)以上不同的位置，取均值），將首件線寬均值超出設(shè)計(jì)值1%的料號(hào)通過(guò)模型給出的預(yù)測(cè)蝕刻線速[以式（11）、式（12）計(jì)算]進(jìn)行生產(chǎn)，然后再對(duì)板件的最小線寬進(jìn)行測(cè)量（測(cè)量10個(gè)以上不同的位置，取均值），線寬測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 蝕刻模型驗(yàn)證結(jié)果表

從實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，模型調(diào)整后的線寬平均值與設(shè)計(jì)值的差值均維持在1 μm以內(nèi)，所以這個(gè)模型是可以接受的。若第一次首件線寬均值與設(shè)計(jì)線寬相差較大，則可能需要多次首件來(lái)迭代。

4 自動(dòng)化方案擬實(shí)現(xiàn)步驟

從通過(guò)掃碼自動(dòng)調(diào)取首件配方參數(shù)，到蝕刻機(jī)執(zhí)行經(jīng)模型調(diào)整后的線速進(jìn)行批量生產(chǎn)，步驟見(jiàn)圖5所示。

圖5 量化蝕刻模型自動(dòng)化方案擬實(shí)現(xiàn)步驟圖

6 結(jié)論與展望

本項(xiàng)目建立了一套量化蝕刻模型，該模型經(jīng)過(guò)驗(yàn)證能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB線寬的精確控制。該模型通常根據(jù)1次首件調(diào)整線速后就能使批量線寬達(dá)到合格，提升阻抗的匹配度；同時(shí)可以節(jié)約人力資源和設(shè)備資源的大量等待時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。該模型配合自動(dòng)化方案，可以全程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，以進(jìn)一步地提升生產(chǎn)效率。

本論文所提出的模型是基于本公司內(nèi)部的蝕刻設(shè)備及加工方法所建立的，不同的蝕刻設(shè)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(shí)，該模型對(duì)于外層線路寬度的控制也有一定的參考意義。