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探析精細線路制作技術

更新時間:2015-12-22 17:15:48點擊次數:4093次

一、背景

隨著電路板件的精細化,在原有的設備的基礎上制造精細線路,需做出進一步的確認及初步的探討。

二、分析

2.1 流程制作

平板電鍍→圖形轉移→圖形電鍍→堿蝕

2.2 我司設備條件的分析

1)平板電鍍:業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)圖形轉移:業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械法進行前處理;業界多采用激光法或者平行光進行曝光;我司仍部分曝光機采用點狀光源進行曝光。

2.3 精細線路的制作難點及關鍵點

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。導線線路在設計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,直接進行貼膜,干膜與板面的結合力不佳,圖形電鍍后滲鍍就造成導線間的短路,而精細線路線寬線距均很小,很難進行手工修板。采用化學機械法進行前處理-火山灰進行板面打磨,以達到合適的粗糙度增加板面與干膜的結合力。

在貼膜前,板件最好進行預熱,一般加熱到50-60℃,減少由于與壓輥溫度引起的溫差應力,增加與基板銅箔表面的結合力。因為增加干膜與銅層界面溫度和提高干膜的流動性之間存在著很強的相關。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致短路,因此選取合適的干膜厚度也是保證精細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、精細導線的圖形的光成像,光源的特性直接影響曝光質量和效率。光源所發出的光譜應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系式如下:

ε= h· =h· c/λ

式中:ε:光能量、h:布郎光常數、r :光的頻率、c:光速、λ:波長。

從關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,所以在曝光機多數采用光源波長一般為320-400nm之間。從光源的形式分析:1)發散光光源,由于光線透過照相底片照射到感光層上的入射角較大(最大時可達到400以上)這就很容易使細導線變形失真,所以發散光光源多用于較寬的導線圖形曝光。對精細導線圖形的曝光,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。因為平行光照度均勻,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到25微米。但使用平行光對環境條件要求極高,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致導線圖形產生缺陷。所以,采用平行光曝光機工藝環境的凈化度要高,一般工作場地的潔凈度都在1 萬級以下,致使其造價昂貴,極大地限制了它的應用范圍。另一種是點光源曝光機,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。使用點光源的曝光機,灰塵顆粒對細導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25微米,而對工藝環境的要求也沒有平行光曝光機那么不嚴格,一般工藝環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用。

4)顯影速度

根據膜分辨率的實際,掌握適當的顯影速度,使細線條能均勻的齊正。精細線條的顯影速度在正常工藝規范內,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。二者要根據實驗綜合考慮。

5)圖形電鍍的工藝條件

圖形電鍍時采用較低的電流密度,以確保鍍層的高質量和高品質。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,它是由電化學的過電壓引起的,所謂過電壓是:當一電極由可逆狀態轉變為不可逆狀態時,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:溶液電導率(與[Cu2+]及[H2SO4]有關);R:氣體常數F:法拉第常數;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,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,選擇或設定工藝參數時,就需要根據印制電路板的產量、設計規定的技術指標及品質要求等因素,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,導線側蝕或過蝕變量有pH、比重、氯離子含量、溶液溫度等。在控制pH 方面對精細導線而言,一般控制在8.2-8.6為佳。過高的pH 就可能出現側蝕更為嚴重,過低的pH 導致蝕刻速度過慢而導致蝕不凈。在比重方面,蝕刻內的銅量多時,一價銅存在的機會也比較多,會在流速較小的線壁邊停留,起到護壁的作用。但一價銅也不能過多,它會直接影響到蝕刻速度,反而對精細導線的蝕刻產生負面影響。必須嚴格控制二價銅的含量,它是蝕刻銅的主劑,可以加快蝕刻速度,以減少側蝕發生的機會,使化學反應處于穩定狀態,對精細導線的蝕刻至關重要。為確保數據變化在規定的范圍內,就需要嚴格控制蝕刻液的比重、補充液的均勻流量和基板在蝕刻機內的運送速度等。蝕刻機各主要部位的相互配合也是至關重的,如噴咀,它的角度噴淋交疊均勻度、噴淋上下壓力調節適度都需要進行測試以選擇最隹的噴淋壓力、傳送速度以通過3/4 噴淋區時為適度等。

蝕刻的操作方法也影響著精細線路的制作。一般線路密集的一面朝下放置進行蝕刻,減小水池效應。選擇圖形的導線走向與蝕刻機的傳送方向多的作為放置方向,以起到導流槽導流的作用,以防止導線蝕刻液的流動減緩,會產生嚴重的側蝕現象;板件應盡量放在傳送帶的中央部位,起到全方位蝕刻的效果,如放置在邊緣會因為邊緣的噴淋效果差直接影響蝕刻質量。

三、實驗過程

1. 選取特殊菲林進行修改,將線寬線距改為3mil/3mil、3mil/3.5mil 及3mil/4mil 進行實驗。

2. 對不同板厚(不同AR值)的板件進行試板,驗證不同平板條件及電鍍條件。

3. 對不同曝光能量的情況進行線寬測試

4. 考究蝕刻條件

四、實驗結果

(一)外層圖形條件

1. 菲林設計

設計的圖形中,有環形線、斜線、豎線及孤立線路。

3mil/3mil 線寬線距:菲林補償0.2mil,保證最小間距為2.8mil;

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

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

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

3mil/5mil 線寬線距:菲林補償為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,蝕刻后出現線路鉅齒狀;采用1.7m/min的貼膜速度的板件,則正常。因此實驗過程中采用1.7m/min的貼膜速度。

2)顯影點控制在50%-65%之間。

3. 干膜對精細線路制作的影響

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,制作精細線路,對于目前我們生產線的三種干膜,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果如下:

測試點 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 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果如下:

測試點 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 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,將曝光級數控制在8-10級(25級曝光尺)就可以制作3mil/3mil精細線路,曝光能量過高,不利于較優的解像度;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)孔銅測試結果如下:

相同的電鍍時間,但設備的均勻性不同,導致部分板件夾膜。精細線路的制作,電鍍的均勻性為關鍵控制點,需要盡量滿足滿缸生產,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左右的生產條件,可以滿足品質要求。

7.比較平板條件對精細線路制作的影響

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,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,并未出現點狀孔無銅的問題。

(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

蝕刻線的pH值對側蝕量的影響比較大。對比當蝕刻線pH=9.13時候的側蝕量及pH=8.53時的側蝕量情況如下(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行比較。蝕刻后的線路如下:

比較而言:采用二次蝕刻,側蝕較小,線寬的控制較好,特別比較蝕刻時朝上的一面,容易因為水池效應而導致側蝕較大,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果如下:

五、小結

綜合實驗情況,3mil/3mil 精細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AR<5時,可采用0.5OZ的基銅,蝕刻后線腳相對較大。當AR值>7,則必須采用低盎司的基銅,否則必須減銅處理。

2)線寬補償的選擇:3mil/3mil 線寬線距:對于半自動對位方式,線寬補償為0.5mil,保證補償后的最小線距為2.5mil;對于手動對位方式,需保證補償后為3mil以上,且比較容易出現解像不良的情況;對于3mil/4mil 線路:線寬補償為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,仍需要后續進一步引入在平板后削銅厚的作法做探究。

4)外層圖形轉移工序:采用解像度較佳的B 干膜,優先選用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;對于板件厚度超過AT能力的板件,在手動對位機上的生產情況不穩定,采取了單面曝光的方式以減低曝光不良??刹捎蒙a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,若出現孤立線則需適當降低電流。同時對于孤立線的位置,盡可能避免設計在板邊位置,否則需通過考究夾點位置來改善。

6)蝕刻適當降低退膜速度,減少夾膜短路的情況。在實驗過程中,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,特別是pH 值需要保證小于8.8,防止側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,但對于精細線路制作,線路朝上的一面仍有明顯的水池效應,側蝕較大,需采用二次蝕刻解決。

2)垂直平板電鍍均勻性不足精細線路制作,對于平板的電鍍要求較高,但實驗過程中發現,即使在均勻性較好的平板線進行實驗,也會存在夾點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,后續試驗改為多次平板電鍍,更換夾點保證均勻性的方式實驗。 

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