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(zhì)量與印制電路板（PCB）的阻抗精度能力有著密不可分的聯(lián)系，在第5代移動通信技術(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PCB的阻抗精度能力提出了更嚴(yán)格的要求[1]。

對于非電鍍的內(nèi)層線路而言，影響阻抗精度的關(guān)鍵因素線路寬度（以下簡稱線寬）[2]。在理想的情況下，只要把線寬做到與客戶所設(shè)計的一致，就能達(dá)到阻抗的精準(zhǔn)控制，但是在實(shí)際生產(chǎn)的情況下，線寬受非常多的因素影響，所以要把線寬做到與客戶所設(shè)計的完全一致是一件非常具有挑戰(zhàn)性的事情。因此，本文以公司內(nèi)部的實(shí)際情況為例，探討了非電鍍層18 μm（0.5 oz）高精準(zhǔn)度線路的加工方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理說明

本文中的線寬精準(zhǔn)度用過程能力指數(shù)（Process capability index，Cpk）表示，其計算方式如式（1）所示。

其中，CP為精度，CA為準(zhǔn)度，計算公式如如式（2）所示。

其中，T為線寬公差，本文統(tǒng)一為10 μm，為線寬標(biāo)準(zhǔn)偏差，為線寬平均值。除特殊說明外，本文將處理后的線寬值用于Cpk、CP、CA的計算，其計算方式為式（3）所示。

1.2 不同曝光設(shè)備線寬精度的測量

設(shè)計線路寬度相同的光繪文件，用相同的光繪文件、不同的曝光設(shè)備對貼好干膜的覆銅板進(jìn)行曝光，曝光后的板件用同一設(shè)備進(jìn)行顯影，顯影后用金相顯微鏡測量干膜的寬度（下文簡稱膜寬），每塊板測量50個數(shù)據(jù)，然后統(tǒng)計每臺曝光設(shè)備對應(yīng)的膜寬CP值。

1.3 不同蝕刻設(shè)備的線寬精度測量

用包含若干種線距不同、線寬相同的線路光繪文件、相同的貼膜、曝光、顯影后用不同的蝕刻設(shè)備進(jìn)行蝕刻，蝕刻時板件的線路面朝下，最后用相同的設(shè)備退膜。退膜后的板件用線寬測量儀測量線路寬度，每塊板測量50個數(shù)據(jù)，然后統(tǒng)計每臺蝕刻設(shè)備對應(yīng)的線寬CP值。

1.4 不同線距對線寬精度的影響實(shí)驗(yàn)

包含多組線距不同但線寬相同的線路光繪文件，取若干塊覆銅板貼膜、曝光、顯影后的板件采用精度最優(yōu)的蝕刻設(shè)備進(jìn)行蝕刻，蝕刻時板件的線路面朝下，最后進(jìn)行退膜。退膜后的板件用線寬測量儀測量線路寬度，每種線距測量30個線寬數(shù)據(jù)，統(tǒng)計線寬平均值與目標(biāo)值的差值。

1.5 不同蝕刻線速對線寬準(zhǔn)度的影響實(shí)驗(yàn)

設(shè)計線路寬度相同光繪文件，板件貼膜、曝光、顯影后采用精度最優(yōu)的蝕刻設(shè)備以不同的蝕刻線速進(jìn)行蝕刻，蝕刻時板件的線路面朝下，最后進(jìn)行退膜。退膜后的板件用線寬測量儀測量線路的寬度，每塊板測量50個數(shù)據(jù)，然后統(tǒng)計不同蝕刻線速下對應(yīng)的線寬均值與值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同曝光設(shè)備對線寬精度的影響

衡量不同曝光機(jī)線寬精度的差異通過顯影后測量干膜的膜寬精度（指曝光、顯影后的抗蝕層寬度精度）。不同品牌的曝光機(jī)，由于設(shè)計原理的不同，所以其膜寬精度可能存在一定的差異。目前公司內(nèi)所使用的曝光機(jī)有A、B、C三種品牌，A品牌采用單激光束轉(zhuǎn)鏡掃描成像，激光波長355 nm，光斑為橢圓形，單個光斑大小2.5×3.175，通過光斑重疊形成圖像，光斑與光斑的中心間隔約1.5 μm，理論上膜寬極差≤3 μm如圖1（a）所示。B、C采用DMD投影芯片多光束掃描成像，激光波長405 nm，光斑為正方形，光斑與光斑的中心間隔5 μm，理論上膜寬極差≤10 μm，如圖1（b）所示。。綜上，曝光機(jī)的線寬精度高低理論上應(yīng)為：A＞B≈C。實(shí)際的膜寬測量結(jié)果如表1所示，C曝光機(jī)的CP均值為0.858，B曝光機(jī)CP均值為0.86，A曝光機(jī)CP值為1.72，B和C曝光機(jī)精度能力相差不大，A曝光機(jī)的精度能力顯著優(yōu)于B和C，這是由于光源系統(tǒng)的設(shè)計原理的差異導(dǎo)致的。同品牌之間的精度差異較小，其誤差主要是由測量誤差和設(shè)備的老化程度不同等引起的。根據(jù)Cpk計算公式，要將線寬Cpk做到1.0及以上，則膜寬精度必須滿足CP＞1，因此只有A曝光機(jī)滿足要求。由于不同曝光機(jī)的精度能力存在差異，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)當(dāng)避免同一個料號用不同的曝光機(jī)生產(chǎn)，除非客戶對線寬精度沒有嚴(yán)格要求。

表1 不同曝光機(jī)的膜寬精度能力表

圖1 （a）曝光機(jī)A與（b）曝光機(jī)B、C圖形轉(zhuǎn)移誤差原理圖

2.2 不同蝕刻設(shè)備對線寬精度的影響

蝕刻均勻性是影響線寬精度的重要因素[3]，不同品牌的蝕刻機(jī)其蝕刻均勻性本身就存在一定的差異。圖2測試了4種不同品牌蝕刻設(shè)備的蝕刻均勻性能力，下噴的蝕刻均勻性大小順序?yàn)槲g刻機(jī)1＞蝕刻機(jī)2＞蝕刻機(jī)4＞蝕刻機(jī)3，其中蝕刻機(jī)1和蝕刻機(jī)2蝕刻均勻性接近95%，均勻性較好，這是由于蝕刻機(jī)1、2設(shè)備較新，在技術(shù)和設(shè)計上都比3、4更先進(jìn)。4種設(shè)備對應(yīng)的線寬精度測試結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，CP由大到小的順序?yàn)槲g刻機(jī)1＞蝕刻機(jī)2＞蝕刻機(jī)4＞蝕刻機(jī)3，與蝕刻均勻性大小順序一一對應(yīng)，說明蝕刻均勻性越好則精度越高。蝕刻機(jī)1的設(shè)計長度比蝕刻機(jī)2長，這可能是蝕刻機(jī)1的精度能力優(yōu)于2的主要原因。同為曝光機(jī)A曝光的前提下，蝕刻機(jī)2、3、4的標(biāo)準(zhǔn)偏差已經(jīng)明顯大于曝光，說明蝕刻制程對線寬精度的影響大于曝光制程。

圖2 不同蝕刻機(jī)的蝕刻均勻性圖

表2 不同蝕刻設(shè)備的線寬精度對比表

2.3 不同線距對線寬精度的影響

在一張PCB上通常會設(shè)計出多種線距不同的線路，而不同的線距設(shè)計會對線路之間蝕刻藥水的交換產(chǎn)生較大的影響，圖3展示了線路密集區(qū)（小間距）與線路空曠區(qū)（大間距）在蝕刻之后線寬出現(xiàn)差異原理圖。在線路密集區(qū)，蝕刻藥水與銅面的交換速率慢，新鮮的蝕刻液無法及時與銅面反應(yīng)，導(dǎo)致線路偏粗；而在線路空曠區(qū)，蝕刻藥水與銅面的交換速率過快，導(dǎo)致線路偏細(xì)，這將會對線寬精度產(chǎn)生較大影響，因此需根據(jù)不同間距對設(shè)計好的線路進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)第1.3節(jié)中的線寬測量結(jié)果，得到線距與補(bǔ)償量的關(guān)系如圖4所示，以線距為自變量x，補(bǔ)償量為因變量y進(jìn)行擬合，得到函數(shù)關(guān)系式如圖5所示。

圖3 不同線距對線寬的影響示意圖

圖4 線距與補(bǔ)償量的關(guān)系圖

圖5 函數(shù)關(guān)系式圖

函數(shù)的擬合度達(dá)到了90%以上，說明模型的理論準(zhǔn)確度較高。為了驗(yàn)證該模型對于線寬精度的影響，設(shè)計了不同線距（如表3所示）相同線寬的線路進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)組采用函數(shù)模型進(jìn)行補(bǔ)償（以下稱動態(tài)補(bǔ)償），對照組采用固定補(bǔ)償（15 μm），兩種補(bǔ)償方式補(bǔ)償后限定最小線距≥50 μm，其他所有條件保持一致，蝕刻后分別測量線寬（每種線距對應(yīng)6組數(shù)據(jù)）并統(tǒng)計總體CP值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，動態(tài)補(bǔ)償?shù)木€寬CP比固定補(bǔ)償提升了約1倍，說明動態(tài)補(bǔ)償顯著優(yōu)于固定補(bǔ)償。

表3 不同線距設(shè)計表

表4 動態(tài)補(bǔ)償與固定補(bǔ)償?shù)木€寬精度對比表

2.4 不同蝕刻線速對線寬準(zhǔn)度的影響

線寬的準(zhǔn)度由線寬均值決定，其本質(zhì)上由PCB在制板在蝕刻設(shè)備中與藥水的反應(yīng)時間、噴淋的壓力及蝕刻設(shè)備有效長度共同決定。一般情況下，噴淋壓力與蝕刻設(shè)備有效長度是不變的，因此反應(yīng)時間與蝕刻線速成反比，所以可以通過調(diào)整蝕刻線速來調(diào)整線寬的準(zhǔn)度。從表5中可以看出，線寬準(zhǔn)度隨著蝕刻線速的變化而變化。以反應(yīng)時間56.4 s為參考原點(diǎn)，時間變化量△t為自變量，線寬變化量△S為因變量，經(jīng)擬合后可得到的函數(shù)關(guān)系式為式（4）所示。

表5 蝕刻線速與線寬準(zhǔn)度的關(guān)系表

對式子（4）進(jìn)行求導(dǎo)，得到式（5）：

κ代表反應(yīng)時間每增加1 s，線寬約變細(xì)1.31 μm。雖然在實(shí)際的蝕刻加工過程中，雖然蝕刻量、覆銅板的種類不為常量會導(dǎo)致κ產(chǎn)生偏差，但是，蝕刻加工時通常會做首件以確定實(shí)際線寬是否在目標(biāo)線寬的公差之內(nèi)，若在目標(biāo)線寬的公差之內(nèi)再通過調(diào)整蝕刻線速就可以使批量件的實(shí)際線寬更加接近目標(biāo)線寬，即線寬的準(zhǔn)度更高。設(shè)首件的蝕刻線速為V初，反應(yīng)時間為t初，蝕刻設(shè)備的有效長度為L，則有式（6）：

設(shè)批量件的蝕刻線速為V終，反應(yīng)時間為t終，則有式（7）：

設(shè)批量件實(shí)測線寬均值為S終，目標(biāo)線寬為S目，在理想情況下有式（8）：

設(shè)首件實(shí)測線寬均值為S初，設(shè)其與目標(biāo)線寬的差值為△S’，則有式（9）：

聯(lián)立式（5）～式（9）可得式（10）：

式（10）在本文中稱為蝕刻模型，其中，S目在光繪設(shè)計完成時就已經(jīng)確定，所以是已知量，L、V初、S初在首件完成后就已經(jīng)確定，也是已知量，κ通過實(shí)驗(yàn)測得為-1.31 μm/s?？傻肰終是模型預(yù)測的蝕刻線速，即批量件的蝕刻線速。

為了驗(yàn)證模型是否適用于實(shí)際生產(chǎn)，進(jìn)行蝕刻模型的有效性驗(yàn)證。在不同的時間段抽取了6個料號進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表6所示。表6中批量件的線速即通過式子（7）預(yù)測的蝕刻線速（首件|CA|＞0.25調(diào)整，|CA|≤0.25不調(diào)整），從線寬準(zhǔn)確度指數(shù)CA來看，通過模型預(yù)測的蝕刻線速加工出來的板件其線寬CA明顯優(yōu)于首件的線寬CA，說明模型能顯著改善線寬的準(zhǔn)確度。當(dāng)然，本模型所得的κ（線寬變化速率）只是一個近似值，噴淋壓力、藥水濃度、溫度、銅厚、銅箔類型、材料類型等在實(shí)際生產(chǎn)過程中都會發(fā)生變化，從而影響κ的準(zhǔn)確性，但在首件線寬與目標(biāo)線寬相差不大的情況下（△S＜10 μm），由于κ值不準(zhǔn)確性所產(chǎn)生的誤差在本模型中仍是可以接受的。

表6 蝕刻模型驗(yàn)證結(jié)果

2.5 動態(tài)補(bǔ)償與蝕刻模型在樣品中的應(yīng)用效果

為了研究最優(yōu)條件下的線寬過程能力，設(shè)計了表3中不同間距的線路，然后運(yùn)用動態(tài)補(bǔ)償對線路進(jìn)行補(bǔ)償，曝光制程采用A曝光設(shè)備進(jìn)行曝光，蝕刻制程采用蝕刻機(jī)1進(jìn)行蝕刻，首件利用蝕刻模型對線寬精細(xì)控制，蝕刻完后測量線寬，并統(tǒng)計Cpk。測試結(jié)果如圖6所示，線寬Cpk（圖中為Ppk）值達(dá)到了1.06，潛在的合格率為99.9%。

圖6 最優(yōu)工藝下的線寬過程能力圖

3 結(jié)論

本工作重點(diǎn)研究了如何提高板內(nèi)線寬的精度和準(zhǔn)度，分析了內(nèi)層各制程對線寬精度及準(zhǔn)度的影響，摸清了曝光設(shè)備與蝕刻設(shè)備的能力邊界。在最優(yōu)工藝下，即在線路設(shè)計上采用動態(tài)補(bǔ)償規(guī)則，減少由于線距的不同對線寬精度造成的影響，在生產(chǎn)設(shè)備上采用精度最好的曝光機(jī)與蝕刻機(jī)，減少由于設(shè)備原因?qū)€寬精度造成的影響，在蝕刻首件控制方面采用蝕刻模型，降低由于線寬不居中對線寬準(zhǔn)度造成的偏差，最終的線寬過程能力達(dá)到了1.06。

目前，基于傳統(tǒng)的減成法工藝優(yōu)化能夠勉強(qiáng)達(dá)到±5 μm線路精度。如果未來要做線寬精度更高的產(chǎn)品（如±3 μm），則曝光制程加顯影制程的精度要控制在CP（±3 μm）≥1.6（標(biāo)準(zhǔn)偏差0.63以下），蝕刻制程需要將精度控制在CP（±3 μm）≥1.3（標(biāo)準(zhǔn)偏差0.77以下），準(zhǔn)度控制在|CA|≤0.25。有關(guān)要求如表7所示。傳統(tǒng)的減成法工藝可能已經(jīng)無法滿足要求，需要采用改進(jìn)型半加成法工藝（mSAP）

表7 不同精度線路對應(yīng)的設(shè)備和工藝要求表

本工作有效的提升了線寬的精確度和準(zhǔn)確度，為更高精度地線寬需求提供了技術(shù)支撐。