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探析精细线路制作技术

更新时间:2015-12-22 17:15:48点击次数:2183次

一、背景

随着电路板件的精细化,在原有的设备的基础上制造精细线路,需做出进一步的确认及初步的探讨。

二、分析

2.1 流程制作

平板电镀→图形转移→图形电镀→碱蚀

2.2 我司设备条件的分析

1)平板电镀:业界多采用水平电镀保证良好的均匀性。我司目前仍有部分垂直电镀线,均匀性相对较差;

2)图形转移:业界多采用湿法贴膜或者微蚀前处理保证板面的平整度;我司仍大部分采用机械法进行前处理;业界多采用激光法或者平行光进行曝光;我司仍部分曝光机采用点状光源进行曝光。

2.3 精细线路的制作难点及关键点

1)表面铜箔厚度的选择

尽量选择铜箔厚度越薄越好,尽量采用0.33OZ的铜箔。按照0.33OZ基铜计算,以AR为5:1、孔铜要求为1mil的板件为例,成品铜厚约为40um左右。导线线路在设计值的下限而且也不均而呈波浪状。

2)贴膜及其前处理

平板后的铜面在微观下较为光滑,直接进行贴膜,干膜与板面的结合力不佳,图形电镀后渗镀就造成导线间的短路,而精细线路线宽线距均很小,很难进行手工修板。采用化学机械法进行前处理-火山灰进行板面打磨,以达到合适的粗糙度增加板面与干膜的结合力。

在贴膜前,板件最好进行预热,一般加热到50-60℃,减少由于与压辊温度引起的温差应力,增加与基板铜箔表面的结合力。因为增加干膜与铜层界面温度和提高干膜的流动性之间存在着很强的相关。随着温度的升高粘度降低,低粘度的膜更容易流入基板表面的凹处。同时提高结合力同时, 降低贴膜的速度,相互配合的作用效果较好。

3)提高干膜的解像度

在图形转移工艺中,为提高分辨率就必须从两个方面入手即使用膜和采取的工艺对策。通常来说,干膜厚度较低,其解像度就越高。但过低的厚度,容易造成图形电镀过程中的夹膜导致短路,因此选取合适的干膜厚度也是保证精细线路制作的要素之一。

曝光时选择合适的光源形式,尤其是对高密度、精细导线的图形的光成像,光源的特性直接影响曝光质量和效率。光源所发出的光谱应与感光材料的吸收光谱相匹配,能获得较好的曝光效果。目前干膜的吸收光波长为325-365m,较短的波长的光曝光后成像图形的边缘清晰整齐。光能量与光波长的关系式如下:

ε= h· =h· c/λ

式中:ε:光能量、h:布郎光常数、r :光的频率、c:光速、λ:波长。

从关系式可以看出光的波长越短其能量也就越大,由于300nm 以下波长易被玻璃和聚酯薄膜片基所吸收,所以在曝光机多数采用光源波长一般为320-400nm之间。从光源的形式分析:1)发散光光源,由于光线透过照相底片照射到感光层上的入射角较大(最大时可达到400以上)这就很容易使细导线变形失真,所以发散光光源多用于较宽的导线图形曝光。对精细导线图形的曝光,最理想的光源是平行光。平行光透过照相底片的图形透明部分可垂直照射到感光层上,其光的入射角小于100,成像的图形清晰不容易失真变形。因为平行光照度均匀,它与湿膜或较薄干膜配合曝光,只要确保良好的真空度,使底片与感光层紧密贴合,其成像的分辨率可达到25微米。但使用平行光对环境条件要求极高,它对空气中和照相底片及吸真空用的膜上的灰尘比较敏感,只要灰尘的颗粒直径大于5微米,就会遮挡平行光的照射导致导线图形产生缺陷。所以,采用平行光曝光机工艺环境的净化度要高,一般工作场地的洁净度都在1 万级以下,致使其造价昂贵,极大地限制了它的应用范围。另一种是点光源曝光机,其光源采用灯泡式的球形光源,照射的入射角小于150接近于平行光的入射角。使用点光源的曝光机,灰尘颗粒对细导线成像的影响也随着降低,而成像的的分辨率却接近于平行光可达25微米,而对工艺环境的要求也没有平行光曝光机那么不严格,一般工艺环境较好的印制板制造厂都可以使用,这样也就大大降低了造净化间的费用。

4)显影速度

根据膜分辨率的实际,掌握适当的显影速度,使细线条能均匀的齐正。精细线条的显影速度在正常工艺规范内,一般要比粗线条的要快一些,以便使露铜的两边膜壁少受显影液的攻击造成导线变形失真或者附着力下降;但若线距也同时较小,则要兼顾到小线路图形的显影速度要稍微放慢的情况。二者要根据实验综合考虑。

5)图形电镀的工艺条件

图形电镀时采用较低的电流密度,以确保镀层的高质量和高品质。从原理分析,电流分布却是对镀层的均匀一致分布具有重要的影响,它是由电化学的过电压引起的,所谓过电压是:当一电极由可逆状态转变为不可逆状态时,通过的电流由于板面上的电阻而造成电压升高,其升高电压称为过电压,用符号表示:(过电压)Ic=KRT/FJ式中:K:溶液电导率(与[Cu2+]及[H2SO4]有关);R:气体常数F:法拉第常数;T:绝对温度J:阴极电流密度

从上述公式看出IC与K,T,J有关,而过电压IC较大时,镀液的分散性能好、金属分布均匀即镀层分布较均匀;当K和T增大时,过电压IC也增大,镀层分布均匀性增加;相反的是当J增大时,过电压IC减小,镀层分布均匀性也跟着减小。所以,选择或设定工艺参数时,就需要根据印制电路板的产量、设计规定的技术指标及品质要求等因素,全面的考虑,原则上镀液的温度稍高些,通常在22-26℃,阴极电流密度稍小,即小电流长时间电镀镀层分散性能要好,镀层均匀一致。

6)蚀刻的控制

在碱蚀过程中,导线侧蚀或过蚀变量有pH、比重、氯离子含量、溶液温度等。在控制pH 方面对精细导线而言,一般控制在8.2-8.6为佳。过高的pH 就可能出现侧蚀更为严重,过低的pH 导致蚀刻速度过慢而导致蚀不净。在比重方面,蚀刻内的铜量多时,一价铜存在的机会也比较多,会在流速较小的线壁边停留,起到护壁的作用。但一价铜也不能过多,它会直接影响到蚀刻速度,反而对精细导线的蚀刻产生负面影响。必须严格控制二价铜的含量,它是蚀刻铜的主剂,可以加快蚀刻速度,以减少侧蚀发生的机会,使化学反应处于稳定状态,对精细导线的蚀刻至关重要。为确保数据变化在规定的范围内,就需要严格控制蚀刻液的比重、补充液的均匀流量和基板在蚀刻机内的运送速度等。蚀刻机各主要部位的相互配合也是至关重的,如喷咀,它的角度喷淋交叠均匀度、喷淋上下压力调节适度都需要进行测试以选择最隹的喷淋压力、传送速度以通过3/4 喷淋区时为适度等。

蚀刻的操作方法也影响着精细线路的制作。一般线路密集的一面朝下放置进行蚀刻,减小水池效应。选择图形的导线走向与蚀刻机的传送方向多的作为放置方向,以起到导流槽导流的作用,以防止导线蚀刻液的流动减缓,会产生严重的侧蚀现象;板件应尽量放在传送带的中央部位,起到全方位蚀刻的效果,如放置在边缘会因为边缘的喷淋效果差直接影响蚀刻质量。

三、实验过程

1. 选取特殊菲林进行修改,将线宽线距改为3mil/3mil、3mil/3.5mil 及3mil/4mil 进行实验。

2. 对不同板厚(不同AR值)的板件进行试板,验证不同平板条件及电镀条件。

3. 对不同曝光能量的情况进行线宽测试

4. 考究蚀刻条件

四、实验结果

(一)外层图形条件

1. 菲林设计

设计的图形中,有环形线、斜线、竖线及孤立线路。

3mil/3mil 线宽线距:菲林补偿0.2mil,保证最小间距为2.8mil;

3mil/3.5mil 线宽线距:菲林补偿为0.5mil,保证最小间距为3mil;

3mil/4mil 线宽线距:菲林补偿为0.8mil,保证最小间距为3.2mil。

3mil/4.5mil 线宽线距:菲林补偿为1mil,保证最小间距为3.5mil;

3mil/5mil 线宽线距:菲林补偿为1.2mil,保证最小间距为3.8mil。

2. 前处理及显影条件

1)贴膜速度:采用2.2m/min贴膜速度,蚀刻后出现线路钜齿状;采用1.7m/min的贴膜速度的板件,则正常。因此实验过程中采用1.7m/min的贴膜速度。

2)显影点控制在50%-65%之间。

3. 干膜对精细线路制作的影响

3.1 不同类型干膜解像度对比

从表观上来看,A干膜的解像度最差,对线宽的损失最大;B干膜2的解像度最佳,对线宽的损失最小;B干膜1介于二者之间。因此,制作精细线路,对于目前我们生产线的三种干膜,可以考虑采用B干膜1。

3.2 曝光能量对精细线路线宽的影响

(1)B干膜1采用曝光尺12-13级

采用线宽测试仪测试结果如下:

测试点 菲林线宽3.2mil 菲林线宽3.8mil 菲林线宽3.8mil(竖线) 菲林线宽3.8mil(角度为45度的斜线) 测试点 菲林线宽3.2mil 菲林线宽3.8mil 菲林线宽3.8mil(竖线) 菲林线宽3.8mil(角度为45度的斜线) 

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

从上表可以看出,采用曝光能量为14级,线宽正常。

(2)B干膜1 选用曝光尺为8-10级采用线宽测试仪测量结果如下:

测试点 菲林线宽3.2mil 菲林线宽3.5mil 菲林线宽3.8mil(竖线) 菲林线宽3.8mil(角度为45度的斜线)

测试点 菲林线宽3.2mil 菲林线宽3.5mil 菲林线宽3.8mil(竖线) 菲林线宽3.8mil(角度为45度的斜线) 

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 

从上表可以看出,当曝光能量为10-11级,线宽正常。

3)干膜解像度情况

B干膜1在制作精细线路的时候,解像度比较好,对曝光能量的要求比较宽松。随着能量的提高,解像度略有较低。但是变化不是很大。采用曝光尺为11 的时候,会比曝光尺为14及15的情况下,线宽大0.2mil左右。但是总体来说,采用B干膜1,将曝光级数控制在8-10级(25级曝光尺)就可以制作3mil/3mil精细线路,曝光能量过高,不利于较优的解像度;曝光能量过低,则对洁净度的要求增加,使露铜短路的比例上升。

(二)沉铜平板及电镀条件

1. AR=4:1(板厚为1.2mm的板件)

1)平板电镀0.3mil,垂直电镀;

2)图形电镀0.6-0.8mil,采用70min分钟的镀铜周期(药水体系1)及60min(药水体系2)。

3)孔铜测试结果如下:

相同的电镀时间,但设备的均匀性不同,导致部分板件夹膜。精细线路的制作,电镀的均匀性为关键控制点,需要尽量满足满缸生产,同时在二边加边条保证板件较好的电镀均匀性。

2. AR=6:1(板件厚度为1.8mm)

1)平板电镀0.3mil,垂直电镀;

2)电镀电镀:均采用1.55ASD*70min的电流条件(药水体系1);

5)孔铜情况如下:

切片为孔径0.3mm的小孔

对于AR=6:1的板件,采用平板电镀0.3mil左右的生产条件,可以满足品质要求。

7.比较平板条件对精细线路制作的影响

选取板厚为1.6mm的板件。采用二种沉铜平板及对应的电镀条件:

1)平板:加厚至0.5mil;图形电镀电镀:1.7ASD*70min(药水体系1)。

2 平板:平板加厚至0.7mil,图形电镀采用1.2ASD*60min(药水体系2)。

对于平板加厚至0.7mil的板件,蚀刻后线细,最小线宽仅为1.4mil。因此这种电镀条件不采用。

对于平板加厚的条件,孔铜条件如下:

按照平板加厚到0.5mil的条件,最小孔的平板镀层为0.4mil,图形电镀层为1mil左右,深镀能量良好,并未出现点状孔无铜的问题。

(三)减铜及蚀刻条件

1. 减铜条件

指定采用0.33OZ的基铜。对于其他基铜,需要走减铜流程,将基铜减至8±3um。

2. 蚀刻条件

1)蚀刻线的状态

蚀刻线的pH值对侧蚀量的影响比较大。对比当蚀刻线pH=9.13时候的侧蚀量及pH=8.53时的侧蚀量情况如下(均取蚀刻时朝上的一面):

2)蚀刻方法

采用二种蚀刻方法比较:对于AR=8:1 的板件,采用上下压全开,正常的蚀刻速度。另一中采用放快速度,蚀刻传送二次的方法进行比较。蚀刻后的线路如下:

比较而言:采用二次蚀刻,侧蚀较小,线宽的控制较好,特别比较蚀刻时朝上的一面,容易因为水池效应而导致侧蚀较大,采用二次蚀刻可以比较有效的避免。对于AR 值≥7的板件,平板需适当加厚,蚀刻时可采用二次蚀刻以保证较好的线宽。

3)对不同电镀条件蚀刻后的线宽条件

1)平板加厚至0.3mil条件板件的线宽情况

线宽测试仪测量结果如下

2)平板至0.5mil的板件的蚀刻后线宽情况线宽测试仪测量结果如下:

五、小结

综合实验情况,3mil/3mil 精细线路的制作方法如下:

1)基铜选择:尽量选用低盎司的基铜;当AR<5时,可采用0.5OZ的基铜,蚀刻后线脚相对较大。当AR值>7,则必须采用低盎司的基铜,否则必须减铜处理。

2)线宽补偿的选择:3mil/3mil 线宽线距:对于半自动对位方式,线宽补偿为0.5mil,保证补偿后的最小线距为2.5mil;对于手动对位方式,需保证补偿后为3mil以上,且比较容易出现解像不良的情况;对于3mil/4mil 线路:线宽补偿为0.5mil-0.8mil。

3)沉铜平板条件:平板选用均匀性较好的垂直平板线:对于AR<7的情况下,平板加厚至0.2 0.3mil;对于710的情况下,需采用二次沉铜平板,蚀刻难度很大,蚀刻线细,仍需要后续进一步引入在平板后削铜厚的作法做探究。

4)外层图形转移工序:采用解像度较佳的B 干膜,优先选用B 干膜1,即可以满足3mil的解像度,且对夹膜的情况有所改善。对于板件厚度<2.4mm的板件,均采用AT-30生产;对于板件厚度超过AT能力的板件,在手动对位机上的生产情况不稳定,采取了单面曝光的方式以减低曝光不良。可采用生产上的正常曝光条件,能量为8-10级(25级曝光尺);

5)图形电镀:在均匀性较好的图形电镀线电镀,采用低电流长周期,电镀时注意图形分布,若出现孤立线则需适当降低电流。同时对于孤立线的位置,尽可能避免设计在板边位置,否则需通过考究夹点位置来改善。

6)蚀刻适当降低退膜速度,减少夹膜短路的情况。在实验过程中,退膜速度为0.8-1.2m/min。对于蚀刻,需要保证较好的蚀刻状态,特别是pH 值需要保证小于8.8,防止侧蚀过大造成的线顶过小。对于平板加厚0.2-0.3mil的板件,可以按照正常条件蚀刻。对于平板加厚至0.5mil的板件,蚀刻过程中需要特别注意,降低蚀刻压力,改为二次蚀刻,可以获得较好的线宽,侧蚀量较小,蚀刻后线顶线宽比较有保证。退锡无需特别控制。

存在的问题:

1)蚀刻过程中的均匀性

目前C线蚀刻COV值基本可在95%以上,但对于精细线路制作,线路朝上的一面仍有明显的水池效应,侧蚀较大,需采用二次蚀刻解决。

2)垂直平板电镀均匀性不足精细线路制作,对于平板的电镀要求较高,但实验过程中发现,即使在均匀性较好的平板线进行实验,也会存在夹点二端的线宽相差较大的情况。对于需要提高平板电流的板件,后续试验改为多次平板电镀,更换夹点保证均匀性的方式实验。 

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