精细埋阻制作精度分析及改善

刘 涌

（上海美维电子有限公司，上海 201613）

0 前言

电子设备微型化、元件高密度化、高性能化的要求推动了PCB和IC封装中埋入无源式元件技术的发展，元件的埋入可以有效节约空间及成本，减小及损耗以提高信号质量，且通过表面焊点的减少获得更高的可靠性。埋电阻是一种重要的埋入无源元件技术，而其中平面薄膜电阻技术通过将薄膜电阻材料沉积在铜箔上，因其与普通PCB制程兼容性好，厚度、阻值均匀性好，可靠性高等优点得到广泛的应用。

埋阻精度的影响因素很多，包括材料本身的精度、需经过两次图形转移分别制作宽度和长度、制程中电阻稳定性等。因此，目前客户电阻线宽设计越来越小（最小达0.1 mm），电阻长度最长300 mm，方阻值从25Ω/□到250 Ω/□不等，对应电阻值从50Ω到500 kΩ，对精度要求越来越高（依据不同的电阻设计客户会提出不同的公差要求，最小公差要求±5%），给我们带来很大的挑战。

1 电阻制作精度分析

一般生产板设计4层结构，L1层为埋阻层（包含铜箔及沉积于铜箔上的一层黑灰色Ni-P电阻层），铜厚28 μm，使用50Ω/□材料，Ni-P层厚度200 nm，材料本身公差±5%，设计电阻大小100Ω，则方阻值为电阻值×电阻线宽/阻线长度，此设计为长度大于宽度的电阻设计（如图1）。

图1 生产板叠构

1.1 制作流程及影响因素

图2 电阻制作流程

1.2 误差传递及公差计算

关于公差，一般采用直接RS、l、w的公差相加的办法进行估算。但如果精确估算，应根据电阻理论公式进行计算。另外，在电阻Ni/P层暴露后会经过碱性蚀刻药水、黑棕化药水及阻焊前处理药水的攻击，Ni/P层的厚度会受到不同程度的影响，且材料不同变化量也差异较大，最大变化量达80%，我们暂不考虑过程中方阻值的变化。

采用以下方式模拟计算公差：[Rs方阻是材料固有值，PCB过程会变化吗？]（式1）。

一般来说，我们假定电阻的长度、宽度公差为±20 μm，即对于长度500 μm×宽度250 μm电阻，长度公差±4%，宽度公差±8%，直接将公差相加得到（式4）。

t=0.04+0.08+0.05=±0.17（±0.17%）而采用上述模拟计算公式得到：

两者计算相差不大。

而对于0.25 mm×0.127 mm的小尺寸电阻，长度公差±8%，宽度公差±16%，直接将公差相加得到：而采用上述模拟计算公式得到（式5）。

两者计算相差较大，且模拟计算得到的值较大，即对于小尺寸电阻，各因素公差变大，因素间的影响也不可忽略。由此模拟计算的结果看，对于小尺寸电阻，公差相比大尺寸电阻会有很大的增加（不仅是长宽公差增加值的简单相加），且对于方阻数大于1的设计，宽度是关键的控制因素。故我们使用此方法预估可能的公差，并抓住重点因素加以改善。

1.3 宽度的制作能力

我们根据多批次生产板的制作经验，进行精确的测量，得到稳定的宽度补偿量。1.2节中假定长度、宽度蚀刻公差均在±20 μm，而实际的公差则需实际测量确认。现以生产板取1set为例，测量宽度长度，从结果看，宽度制作能力较差，长度制作能力基本可满足要求，即宽度是电阻制作的关键制约因素，这与预期结果一致（见表1）。

2 电阻制作精度改善

从上文分析得到，对于长250 μm ×宽125 μm的小尺寸电阻，需综合考虑各个影响因素，根据目标值对长度、宽度进行精确补偿，从而保证电阻中值控制到位；且找到了电阻精度改善的关键因素，即宽度制作，故需从宽度角度进行改善。

2.1 生产控制方法改善

针对宽度均匀性差的状况，需在第二次蚀刻时进行调整，尽量减小宽度对精度的影响。一般采取第二次蚀刻时首板确认电阻值以调试蚀刻速度的办法。我们提出在每个set旁增加一组电阻测试条（与单元内设计一致）的办法用于监控单元内电阻，在第一次图形制作后测量每片板线宽，并按线宽将板进行分组，第二次蚀刻时每组分别制作首板，调整蚀刻线速（如图3、表2、表3）。

以一批板为例对此方法进行说明：

（1）第一次蚀刻后按线宽分组：线宽中值控制140 μm，按照14点和9点分别计算均值，结果相近，表明测量结果有一定的代表性，能实现正确的分组；而取板中间两排9点可减少取点数量，且涵盖板内及板边，也较接近整板均值；

表1 长度宽度制作能力（单位：μm）

图3 板拼板及生产控制办法

表2 第一次蚀刻后线宽测量分组办法

表3 第一次蚀刻后线宽测量分组办法

（2）第二次蚀刻分组及监控：要求首板控制均值100±3 Ω，根据首板8#结果（线宽144 μm，速度3.6 m/min，测试条电阻均值98.6 Ω）进行分组；批量板第1组（线宽接近首板8#，范围142.5-145 μm）需适当减小蚀刻速度（3.55 m/min），提高阻值，其余按照约线宽每相差5 μm，速度相差0.1 m/min来选择速度，结果第1、2、3组的板平均值均在（100±3 Ω）范围内；但5#板的平均值为129.25 μm，离目标要求值140 μm最远，折算蚀刻速度误差性最大，结果表明，5#板选择速度为3.8 m/min，得到的电阻值仍偏大，分析原因为线宽偏离目标值太远，第二次图形仅靠蚀刻速度的调整无法抵消线宽的偏差，故后续第一次蚀刻线宽尽可能控制向140 μm中值靠近，对于线宽平均值偏离中值超过±10 μm之外的板，应重新修正第二次图形的曝光底片补偿量。电阻监控方面，第二排7点的测试条电阻能反映整板的情况，可以通过测量计算这七个数据监控。

后续生产板需要第一次蚀刻时控制线宽（140±10）μm，每片测量指定位置9点线宽以实现正确的分档，第二次蚀刻时按线宽均值5 μm分档实现控制中值到位（见表4）。

在批量板的生产中使用此控制办法，以其中3批板共90片为例说明制作情况：

（1）第一次蚀刻后线宽：总体均值140.7 μm，每片取中间两排9点计算均值，按5 μm一组分为6组；

（2）第二次蚀刻：每组做1片首板，首板要求电阻均值100±3Ω，按照首板测试条电阻均值计算结果来调整整组板的蚀刻速度；批量板蚀刻后以5片/批的频率抽检监控，每片板测量第二排7个电阻计算均值，抽检15片，电阻均值均在99～102 Ω之间。

（3）电阻测试结果：电阻测试合格率约95.3%，均值99.73Ω，过程中电阻均值公差按照±3%控制，最终成品测试结果按照客户要求公差±15%计算，无论从单片板或者不同蚀刻档次的电阻结果看均值都控制在100Ω±3Ω以内，分析成品电阻测量数据结果（见表5、图4）。

结果看，批量板电阻测试结果满足过程能力指数PPk=1.69，满足生产要求。

3 结论

本文主要针对目前客户电阻设计越来越小（最小达4 mil），对精度要求越来越高（±15%以内）的现状，对埋阻精度的影响因素，包括材料本身的精度、需经过两次图形转移分别制作宽度和长度等进行研究和分析，并从生产控制及能力提升的角度进行改善，将成果应用于实际生产。得出的主要结论如下：

（1）根据对埋阻影响因素的误差传递及公差计算分析，对于小尺寸电阻的公差，各因素公差变大，因素间的影响也不可忽略，故相比大尺寸电阻会有很大的增加，且对于方阻数大于1的设计，实际生产及理论推断均表明宽度是是关键的控制因素。

表4 1批板按线宽分组、蚀刻参数及测试条电阻测量

表5 批量板分组蚀刻制作情况

图4 成品电阻结果分析

（2）对于长250 μm ×宽125 μm的小尺寸电阻，提出第二次蚀刻时按照线宽对板进行分组蚀刻的生产控制方法，减小两次图形蚀刻带来的电阻偏差，可保证电阻中值控制到位，良率达到95%左右，PP长大于1.33。