探析精細(xì)線路制作技術(shù)

一、背景

隨著電路板件的精細(xì)化，在原有的設(shè)備的基礎(chǔ)上制造精細(xì)線路，需做出進(jìn)一步的確認(rèn)及初步的探討。

二、分析

2.1 流程制作

平板電鍍→圖形轉(zhuǎn)移→圖形電鍍→堿蝕

2.2 我司設(shè)備條件的分析

1)平板電鍍：業(yè)界多采用水平電鍍保證良好的均勻性。我司目前仍有部分垂直電鍍線，均勻性相對較差；

2）圖形轉(zhuǎn)移：業(yè)界多采用濕法貼膜或者微蝕前處理保證板面的平整度；我司仍大部分采用機(jī)械法進(jìn)行前處理；業(yè)界多采用激光法或者平行光進(jìn)行曝光；我司仍部分曝光機(jī)采用點(diǎn)狀光源進(jìn)行曝光。

2.3 精細(xì)線路的制作難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)

1）表面銅箔厚度的選擇

盡量選擇銅箔厚度越薄越好，盡量采用0.33OZ的銅箔。按照0.33OZ基銅計(jì)算，以AR為5：1、孔銅要求為1mil的板件為例，成品銅厚約為40um左右。導(dǎo)線線路在設(shè)計(jì)值的下限而且也不均而呈波浪狀。

2）貼膜及其前處理

平板后的銅面在微觀下較為光滑，直接進(jìn)行貼膜，干膜與板面的結(jié)合力不佳，圖形電鍍后滲鍍就造成導(dǎo)線間的短路，而精細(xì)線路線寬線距均很小，很難進(jìn)行手工修板。采用化學(xué)機(jī)械法進(jìn)行前處理-火山灰進(jìn)行板面打磨，以達(dá)到合適的粗糙度增加板面與干膜的結(jié)合力。

在貼膜前，板件最好進(jìn)行預(yù)熱，一般加熱到50-60℃，減少由于與壓輥溫度引起的溫差應(yīng)力，增加與基板銅箔表面的結(jié)合力。因?yàn)樵黾痈赡づc銅層界面溫度和提高干膜的流動性之間存在著很強(qiáng)的相關(guān)。隨著溫度的升高粘度降低，低粘度的膜更容易流入基板表面的凹處。同時提高結(jié)合力同時， 降低貼膜的速度，相互配合的作用效果較好。

3）提高干膜的解像度

在圖形轉(zhuǎn)移工藝中，為提高分辨率就必須從兩個方面入手即使用膜和采取的工藝對策。通常來說，干膜厚度較低，其解像度就越高。但過低的厚度，容易造成圖形電鍍過程中的夾膜導(dǎo)致短路，因此選取合適的干膜厚度也是保證精細(xì)線路制作的要素之一。

曝光時選擇合適的光源形式，尤其是對高密度、精細(xì)導(dǎo)線的圖形的光成像，光源的特性直接影響曝光質(zhì)量和效率。光源所發(fā)出的光譜應(yīng)與感光材料的吸收光譜相匹配，能獲得較好的曝光效果。目前干膜的吸收光波長為325-365m，較短的波長的光曝光后成像圖形的邊緣清晰整齊。光能量與光波長的關(guān)系式如下：

ε= h· =h· c/λ

式中：ε：光能量、h：布郎光常數(shù)、r ：光的頻率、c：光速、λ：波長。

從關(guān)系式可以看出光的波長越短其能量也就越大，由于300nm 以下波長易被玻璃和聚酯薄膜片基所吸收，所以在曝光機(jī)多數(shù)采用光源波長一般為320-400nm之間。從光源的形式分析：1）發(fā)散光光源，由于光線透過照相底片照射到感光層上的入射角較大（最大時可達(dá)到400以上）這就很容易使細(xì)導(dǎo)線變形失真，所以發(fā)散光光源多用于較寬的導(dǎo)線圖形曝光。對精細(xì)導(dǎo)線圖形的曝光，最理想的光源是平行光。平行光透過照相底片的圖形透明部分可垂直照射到感光層上，其光的入射角小于100，成像的圖形清晰不容易失真變形。因?yàn)槠叫泄庹斩染鶆?，它與濕膜或較薄干膜配合曝光，只要確保良好的真空度，使底片與感光層緊密貼合，其成像的分辨率可達(dá)到25微米。但使用平行光對環(huán)境條件要求極高，它對空氣中和照相底片及吸真空用的膜上的灰塵比較敏感，只要灰塵的顆粒直徑大于5微米，就會遮擋平行光的照射導(dǎo)致導(dǎo)線圖形產(chǎn)生缺陷。所以，采用平行光曝光機(jī)工藝環(huán)境的凈化度要高，一般工作場地的潔凈度都在1 萬級以下，致使其造價(jià)昂貴，極大地限制了它的應(yīng)用范圍。另一種是點(diǎn)光源曝光機(jī)，其光源采用燈泡式的球形光源，照射的入射角小于150接近于平行光的入射角。使用點(diǎn)光源的曝光機(jī)，灰塵顆粒對細(xì)導(dǎo)線成像的影響也隨著降低，而成像的的分辨率卻接近于平行光可達(dá)25微米，而對工藝環(huán)境的要求也沒有平行光曝光機(jī)那么不嚴(yán)格，一般工藝環(huán)境較好的印制板制造廠都可以使用，這樣也就大大降低了造凈化間的費(fèi)用。

4）顯影速度

根據(jù)膜分辨率的實(shí)際，掌握適當(dāng)?shù)娘@影速度，使細(xì)線條能均勻的齊正。精細(xì)線條的顯影速度在正常工藝規(guī)范內(nèi)，一般要比粗線條的要快一些，以便使露銅的兩邊膜壁少受顯影液的攻擊造成導(dǎo)線變形失真或者附著力下降；但若線距也同時較小，則要兼顧到小線路圖形的顯影速度要稍微放慢的情況。二者要根據(jù)實(shí)驗(yàn)綜合考慮。

5）圖形電鍍的工藝條件

圖形電鍍時采用較低的電流密度，以確保鍍層的高質(zhì)量和高品質(zhì)。從原理分析，電流分布卻是對鍍層的均勻一致分布具有重要的影響，它是由電化學(xué)的過電壓引起的，所謂過電壓是：當(dāng)一電極由可逆狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡鏍顟B(tài)時，通過的電流由于板面上的電阻而造成電壓升高，其升高電壓稱為過電壓，用符號表示：（過電壓）Ic=KRT/FJ式中：K：溶液電導(dǎo)率（與[Cu2+]及[H2SO4]有關(guān)）；R：氣體常數(shù)F：法拉第常數(shù)；T：絕對溫度J：陰極電流密度

從上述公式看出IC與K，T，J有關(guān)，而過電壓IC較大時，鍍液的分散性能好、金屬分布均勻即鍍層分布較均勻；當(dāng)K和T增大時，過電壓IC也增大，鍍層分布均勻性增加；相反的是當(dāng)J增大時，過電壓IC減小，鍍層分布均勻性也跟著減小。所以，選擇或設(shè)定工藝參數(shù)時，就需要根據(jù)印制電路板的產(chǎn)量、設(shè)計(jì)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)及品質(zhì)要求等因素，全面的考慮，原則上鍍液的溫度稍高些，通常在22-26℃，陰極電流密度稍小，即小電流長時間電鍍鍍層分散性能要好，鍍層均勻一致。

6）蝕刻的控制

在堿蝕過程中，導(dǎo)線側(cè)蝕或過蝕變量有pH、比重、氯離子含量、溶液溫度等。在控制pH 方面對精細(xì)導(dǎo)線而言，一般控制在8.2-8.6為佳。過高的pH 就可能出現(xiàn)側(cè)蝕更為嚴(yán)重，過低的pH 導(dǎo)致蝕刻速度過慢而導(dǎo)致蝕不凈。在比重方面，蝕刻內(nèi)的銅量多時，一價(jià)銅存在的機(jī)會也比較多，會在流速較小的線壁邊停留，起到護(hù)壁的作用。但一價(jià)銅也不能過多，它會直接影響到蝕刻速度，反而對精細(xì)導(dǎo)線的蝕刻產(chǎn)生負(fù)面影響。必須嚴(yán)格控制二價(jià)銅的含量，它是蝕刻銅的主劑，可以加快蝕刻速度，以減少側(cè)蝕發(fā)生的機(jī)會，使化學(xué)反應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，對精細(xì)導(dǎo)線的蝕刻至關(guān)重要。為確保數(shù)據(jù)變化在規(guī)定的范圍內(nèi)，就需要嚴(yán)格控制蝕刻液的比重、補(bǔ)充液的均勻流量和基板在蝕刻機(jī)內(nèi)的運(yùn)送速度等。蝕刻機(jī)各主要部位的相互配合也是至關(guān)重的，如噴咀，它的角度噴淋交疊均勻度、噴淋上下壓力調(diào)節(jié)適度都需要進(jìn)行測試以選擇最隹的噴淋壓力、傳送速度以通過3/4 噴淋區(qū)時為適度等。

蝕刻的操作方法也影響著精細(xì)線路的制作。一般線路密集的一面朝下放置進(jìn)行蝕刻，減小水池效應(yīng)。選擇圖形的導(dǎo)線走向與蝕刻機(jī)的傳送方向多的作為放置方向，以起到導(dǎo)流槽導(dǎo)流的作用，以防止導(dǎo)線蝕刻液的流動減緩，會產(chǎn)生嚴(yán)重的側(cè)蝕現(xiàn)象；板件應(yīng)盡量放在傳送帶的中央部位，起到全方位蝕刻的效果，如放置在邊緣會因?yàn)檫吘壍膰娏苄Ч钪苯佑绊懳g刻質(zhì)量。

三、實(shí)驗(yàn)過程

1. 選取特殊菲林進(jìn)行修改，將線寬線距改為3mil/3mil、3mil/3.5mil 及3mil/4mil 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2. 對不同板厚（不同AR值）的板件進(jìn)行試板，驗(yàn)證不同平板條件及電鍍條件。

3. 對不同曝光能量的情況進(jìn)行線寬測試

4. 考究蝕刻條件

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（一）外層圖形條件

1. 菲林設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的圖形中，有環(huán)形線、斜線、豎線及孤立線路。

3mil/3mil 線寬線距：菲林補(bǔ)償0.2mil，保證最小間距為2.8mil；

3mil/3.5mil 線寬線距：菲林補(bǔ)償為0.5mil，保證最小間距為3mil；

3mil/4mil 線寬線距：菲林補(bǔ)償為0.8mil，保證最小間距為3.2mil。

3mil/4.5mil 線寬線距：菲林補(bǔ)償為1mil，保證最小間距為3.5mil；

3mil/5mil 線寬線距：菲林補(bǔ)償為1.2mil，保證最小間距為3.8mil。

2. 前處理及顯影條件

1）貼膜速度：采用2.2m/min貼膜速度，蝕刻后出現(xiàn)線路鉅齒狀；采用1.7m/min的貼膜速度的板件，則正常。因此實(shí)驗(yàn)過程中采用1.7m/min的貼膜速度。

2）顯影點(diǎn)控制在50%-65%之間。

3. 干膜對精細(xì)線路制作的影響

3.1 不同類型干膜解像度對比

從表觀上來看，A干膜的解像度最差，對線寬的損失最大；B干膜2的解像度最佳，對線寬的損失最??；B干膜1介于二者之間。因此，制作精細(xì)線路，對于目前我們生產(chǎn)線的三種干膜，可以考慮采用B干膜1。

3.2 曝光能量對精細(xì)線路線寬的影響

（1）B干膜1采用曝光尺12-13級

采用線寬測試儀測試結(jié)果如下：

測試點(diǎn) 菲林線寬3.2mil 菲林線寬3.8mil 菲林線寬3.8mil（豎線） 菲林線寬3.8mil（角度為45度的斜線） 測試點(diǎn) 菲林線寬3.2mil 菲林線寬3.8mil 菲林線寬3.8mil（豎線） 菲林線寬3.8mil（角度為45度的斜線） 

1  3.174 mil  3.868 mil  3.765mil  3.654mil  

2  3.256 mil  3.737 mil  

3  3.319 mil  3.827 mil  

4  3.390 mil  3.841 mil  

5  3.392 mil  3.864 mil  

6  3.412 mil  3.873 mil  

平均值 3.328 mil  3.835 m

從上表可以看出，采用曝光能量為14級，線寬正常。

（2）B干膜1 選用曝光尺為8-10級采用線寬測試儀測量結(jié)果如下：

測試點(diǎn) 菲林線寬3.2mil 菲林線寬3.5mil 菲林線寬3.8mil（豎線） 菲林線寬3.8mil（角度為45度的斜線）

測試點(diǎn) 菲林線寬3.2mil 菲林線寬3.5mil 菲林線寬3.8mil（豎線） 菲林線寬3.8mil（角度為45度的斜線） 

1  3.349 mil  3.631 mil  3.796mil  3.835mil  

2  3.394 mil  3.659 mil  

3  3.350 mil  3.619 mil  

4  3.399 mil  3.577 mil  

5  3.352 mil  3.606 mil    

6  3.365 mil  3.649 mil  

平均值 3.368 mil  3.625 mil 

從上表可以看出，當(dāng)曝光能量為10-11級，線寬正常。

3）干膜解像度情況

B干膜1在制作精細(xì)線路的時候，解像度比較好，對曝光能量的要求比較寬松。隨著能量的提高，解像度略有較低。但是變化不是很大。采用曝光尺為11 的時候，會比曝光尺為14及15的情況下，線寬大0.2mil左右。但是總體來說，采用B干膜1，將曝光級數(shù)控制在8-10級（25級曝光尺）就可以制作3mil/3mil精細(xì)線路，曝光能量過高，不利于較優(yōu)的解像度；曝光能量過低，則對潔凈度的要求增加，使露銅短路的比例上升。

（二）沉銅平板及電鍍條件

1. AR=4：1（板厚為1.2mm的板件）

1）平板電鍍0.3mil，垂直電鍍；

2）圖形電鍍0.6-0.8mil，采用70min分鐘的鍍銅周期（藥水體系1）及60min（藥水體系2）。

3）孔銅測試結(jié)果如下：

相同的電鍍時間，但設(shè)備的均勻性不同，導(dǎo)致部分板件夾膜。精細(xì)線路的制作，電鍍的均勻性為關(guān)鍵控制點(diǎn)，需要盡量滿足滿缸生產(chǎn)，同時在二邊加邊條保證板件較好的電鍍均勻性。

2. AR=6：1（板件厚度為1.8mm）

1）平板電鍍0.3mil，垂直電鍍；

2）電鍍電鍍：均采用1.55ASD*70min的電流條件（藥水體系1）；

5）孔銅情況如下：

切片為孔徑0.3mm的小孔

對于AR=6:1的板件，采用平板電鍍0.3mil左右的生產(chǎn)條件，可以滿足品質(zhì)要求。

7.比較平板條件對精細(xì)線路制作的影響

選取板厚為1.6mm的板件。采用二種沉銅平板及對應(yīng)的電鍍條件：

1）平板：加厚至0.5mil；圖形電鍍電鍍：1.7ASD*70min（藥水體系1）。

2 平板：平板加厚至0.7mil，圖形電鍍采用1.2ASD*60min（藥水體系2）。

對于平板加厚至0.7mil的板件，蝕刻后線細(xì)，最小線寬僅為1.4mil。因此這種電鍍條件不采用。

對于平板加厚的條件，孔銅條件如下：

按照平板加厚到0.5mil的條件，最小孔的平板鍍層為0.4mil，圖形電鍍層為1mil左右，深鍍能量良好，并未出現(xiàn)點(diǎn)狀孔無銅的問題。

（三）減銅及蝕刻條件

1. 減銅條件

指定采用0.33OZ的基銅。對于其他基銅，需要走減銅流程，將基銅減至8±3um。

2. 蝕刻條件

1）蝕刻線的狀態(tài)

蝕刻線的pH值對側(cè)蝕量的影響比較大。對比當(dāng)蝕刻線pH=9.13時候的側(cè)蝕量及pH=8.53時的側(cè)蝕量情況如下（均取蝕刻時朝上的一面）：

2)蝕刻方法

采用二種蝕刻方法比較：對于AR=8：1 的板件，采用上下壓全開，正常的蝕刻速度。另一中采用放快速度，蝕刻傳送二次的方法進(jìn)行比較。蝕刻后的線路如下：

比較而言：采用二次蝕刻，側(cè)蝕較小，線寬的控制較好，特別比較蝕刻時朝上的一面，容易因?yàn)樗匦?yīng)而導(dǎo)致側(cè)蝕較大，采用二次蝕刻可以比較有效的避免。對于AR 值≥7的板件，平板需適當(dāng)加厚，蝕刻時可采用二次蝕刻以保證較好的線寬。

3）對不同電鍍條件蝕刻后的線寬條件

1)平板加厚至0.3mil條件板件的線寬情況

線寬測試儀測量結(jié)果如下

2）平板至0.5mil的板件的蝕刻后線寬情況線寬測試儀測量結(jié)果如下：

五、小結(jié)

綜合實(shí)驗(yàn)情況，3mil/3mil 精細(xì)線路的制作方法如下：

1）基銅選擇：盡量選用低盎司的基銅；當(dāng)AR<5時，可采用0.5OZ的基銅，蝕刻后線腳相對較大。當(dāng)AR值>7，則必須采用低盎司的基銅，否則必須減銅處理。

2）線寬補(bǔ)償?shù)倪x擇：3mil/3mil 線寬線距：對于半自動對位方式，線寬補(bǔ)償為0.5mil，保證補(bǔ)償后的最小線距為2.5mil；對于手動對位方式，需保證補(bǔ)償后為3mil以上，且比較容易出現(xiàn)解像不良的情況；對于3mil/4mil 線路：線寬補(bǔ)償為0.5mil-0.8mil。

3）沉銅平板條件：平板選用均勻性較好的垂直平板線：對于AR<7的情況下，平板加厚至0.2　0.3mil；對于710的情況下，需采用二次沉銅平板，蝕刻難度很大，蝕刻線細(xì)，仍需要后續(xù)進(jìn)一步引入在平板后削銅厚的作法做探究。

4）外層圖形轉(zhuǎn)移工序：采用解像度較佳的B 干膜，優(yōu)先選用B 干膜1，即可以滿足3mil的解像度，且對夾膜的情況有所改善。對于板件厚度<2.4mm的板件，均采用AT-30生產(chǎn)；對于板件厚度超過AT能力的板件，在手動對位機(jī)上的生產(chǎn)情況不穩(wěn)定，采取了單面曝光的方式以減低曝光不良?？刹捎蒙a(chǎn)上的正常曝光條件，能量為8-10級（25級曝光尺）；

5）圖形電鍍：在均勻性較好的圖形電鍍線電鍍，采用低電流長周期，電鍍時注意圖形分布，若出現(xiàn)孤立線則需適當(dāng)降低電流。同時對于孤立線的位置，盡可能避免設(shè)計(jì)在板邊位置，否則需通過考究夾點(diǎn)位置來改善。

6）蝕刻適當(dāng)降低退膜速度，減少夾膜短路的情況。在實(shí)驗(yàn)過程中，退膜速度為0.8-1.2m/min。對于蝕刻，需要保證較好的蝕刻狀態(tài)，特別是pH 值需要保證小于8.8，防止側(cè)蝕過大造成的線頂過小。對于平板加厚0.2-0.3mil的板件，可以按照正常條件蝕刻。對于平板加厚至0.5mil的板件，蝕刻過程中需要特別注意，降低蝕刻壓力，改為二次蝕刻，可以獲得較好的線寬，側(cè)蝕量較小，蝕刻后線頂線寬比較有保證。退錫無需特別控制。

存在的問題：

1）蝕刻過程中的均勻性

目前C線蝕刻COV值基本可在95%以上，但對于精細(xì)線路制作，線路朝上的一面仍有明顯的水池效應(yīng)，側(cè)蝕較大，需采用二次蝕刻解決。

2）垂直平板電鍍均勻性不足精細(xì)線路制作，對于平板的電鍍要求較高，但實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，即使在均勻性較好的平板線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也會存在夾點(diǎn)二端的線寬相差較大的情況。對于需要提高平板電流的板件，后續(xù)試驗(yàn)改為多次平板電鍍，更換夾點(diǎn)保證均勻性的方式實(shí)驗(yàn)。