印制电路板的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 201600）

1 背景

电子设备微型化、高性能化的要求推动了PCB（印制电路板）和IC（集成电路）封装中埋入无源式元件技术的发展，元件的埋置可以节约空间及成本，减小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。埋置电阻技术中，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，及需经过两次图形转移等。而且客户电阻设计越来越小（最小电阻线宽0.1 mm），对精度要求也越来越高（电阻值精度要求±15%以内），这给我们带来很大的挑战。

经过对埋阻精度的影响因素分析及改善，目前我们已能够大量使用Ohmega-ply为50 Ω/□的埋阻铜箔制作0.25 mm×0.125 mm尺寸的100 Ω电阻，2013年到目前已完成生产板交货共计3 100万片，并使合格率逐渐达到95%以上。

2 电阻制作精度分析

一般生产板设计4层结构（如图1所示），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层），铜厚28 μm，使用50 Ω/□材料，Ni-P层厚度200 nm，材料本身公差±5%，设计电阻大小100 Ω，即长度/宽度为2/1的电阻设计。

图1 产品板叠构图

2.1 制作流程及影响因素

电阻制作需要两次图形转移，流程如图2所示。

图2 电阻制作流程图

2.2 电阻尺寸影响及误差计算

电阻的计算公式R＝（ρ/D）×L/W，其中ρ为方阻，L为电阻长度，W为电阻宽度，D为电阻层厚度。电阻精度影响因素主要有材料来料ρ/D公差（±5%），D在制程中的稳定性，L、S的蚀刻均匀性。

电阻当方阻不变时，电阻值误差影响因素来自电阻尺寸长、宽的差异。

我们假定长度、宽度公差为±0.02 mm，即对于0.5 mm×0.25 mm尺寸的电阻，长度公差±4%，宽度公差±8%，来料电阻方阻公差±5%，直接将误差相加计算得到：

最大电阻值误差 t＝±(0.04+0.08+0.05)×100% ＝±17%

而对于0.25 mm×0.125 mm的小尺寸电阻，同样假定长度、宽度公差为±0.02 mm，则长度公差±8%，宽度公差±16%，直接将误差相加计算得到：

最大电阻值误差 t＝±(0.08+0.16+0.05)×100% ＝±29%

由此模拟计算的结果看，即使未考虑过程中方阻率的变化因素，以上对比0.5 mm×0.25 mm大尺寸的电阻和0.25 mm×0.125 mm小尺寸电阻，其误差分别为±17%和±29%，差异明显。

2.3 实际方阻及长度的补偿

除上节提到的尺寸影响因素外，过程中方阻的变化，主要受碱性蚀刻、阻焊前处理等流程影响，对电阻层有一定程度的蚀刻，通常导致方阻率增大，故我们需要对方阻的增大量进行预测。

一般而言，我们采取测量长度、宽度，测量蚀刻后电阻实际值的办法反推方阻，并计算长度、宽度补偿值。但第二次蚀刻后铜和电阻接触边缘处不是理想的直线，而是较不规则的弧形，一方面可能有蚀刻残角，另一方面由于蚀刻液对铜和电阻层的交界面有攻击，导致实际有效电阻长度与测量长度的差异，这种差异由蚀刻过程产生。如图3所示，尽管这种边缘的不规则很细微，但当电阻尺寸很小的时候，它的影响是不可忽略的。电阻宽度也不是很均匀，但是无界面效应影响，我们可以通过测多点取均值的办法减小其误差。尽管如此，但是只要蚀刻过程稳定，尤其是第二次蚀刻制作长度的过程，电阻有效长度（包括侧蚀和界面效应的影响）、实际方阻率是可以推算并进行补偿的。而电阻制作完成后，阻焊前处理微蚀对电阻有一定程度的增大，根据多批次测量，得到增大量稳定为3 Ω，故我们控制阻焊前处理前的电阻中值为97 Ω。据此，我们可以反推得到实际方阻，并对长度、第二次蚀刻后的电阻中值进行精确补偿。

图3 电阻图示图

2.4 宽度的补偿及制作能力

据第2.3节所述，宽度方向不受界面效应影响，只需进行精确的测量以计算补偿值，故我们根据多批次生产板的制作经验，得到稳定的宽度补偿量（28 μm铜厚时，整体补偿38 μm）。在2.2节中假定长度、宽度蚀刻公差均在±0.02 mm，而实际的误差则需实际测量确认。先测量生产板的宽度长度，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（如表1所示）。

表1 电阻长度宽度制作能力表 (单位：μm)

3 电阻制作精度改善

从上文分析得到，对于0.25 mm×0.125 mm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、方阻进行精确补偿，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，即从宽度制作进行改善。

3.1 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，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板（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PNL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。

以一批板为例对此方法进行说明如下。

（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（如图4所示），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PNL均值。

图4 测量14点取点图

（2）第二次蚀刻分组及监控：要求首板控制均值（97±3）Ω，首板8#完成后1 h内未批量生产，故在2 h后重新选取首板9#制作，根据其结果（线宽144 μm，速度3.6 m/min，测试板电阻均值95.6 Ω）进行分组；批量板第1组（线宽接近首板9#，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（如表2所示）。

表2 线宽测量分组办法表

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

在批量板的生产中使用此控制办法，以其中3批共90Panel为例说明制作情况（如表3所示）。

表3 批量板分组蚀刻制作情况表

（1）第一次蚀刻后线宽：总体均值140.7 μm，每panel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 panel首板，首板要求电阻均值97±3 Ω，按照首板的附连板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 P/30 P的频率抽检监控，每panel测量第二排7个电阻计算均值，抽检15 P，电阻均值均在95～99 Ω之间。

（3）ET结果：ET电阻测试合格率约95.3%，均值99.73 Ω，但Ppk仅为0.79（如图5所示），故在现有的制程能力条件下，Ppk无法得到明显的改善，必须在SES时严格按线宽分组，将中值控制到位。

图5 过程能力图

3.2 线宽制作能力改善

以上通过生产控制，减小两次图形蚀刻带来的电阻偏差，使电阻趋近于以目标值为中值的正态分布，一定程度上提高了良率，而另一方面提升线宽制作能力才能从根本上减小公差，提高精度。而mSAP（改进型半加成工艺）正是提高线宽精度的好办法，流程为：层压后处理→减薄铜[铜厚：(4±1 μm）]→机械钻孔→水平去胶渣→PTH（镀覆孔）→最终清洗→贴膜→LDI（激光直接成像）曝光→显影→VCP（垂直连续电镀线）电镀→去膜→烘板（150 ℃，2 h）→闪蚀铜→蚀刻Ni/P→前处理→第二次图形。相关参数如下：电镀（1.8 A/dm2/10min+1.4 A/dm2/60min）；基铜5 μm ＋牙根8 μm，线路补偿20 μm；闪蚀量1.5 μm，0.5 m/min速度4遍，闪蚀总量12 μm左右。

从DES（显影/蚀刻/去膜）常规蚀刻工艺和mSAP对比结果可看出，mSAP线宽极差仅10 μm，Pp达到1.26，即所有线宽基本都在中值±5 μm范围内，第二次蚀刻时可以按统一速度生产，无需分组调整或是重新出照相底版工具，提高生产效率。mSAP蚀刻铜厚度薄，得到线形更好，线宽稳定性更优。mSAP工艺制作电阻的ET电阻测试合格率约98.8%，均值99.08 Ω，Ppk为1.16，比DES工艺有很大的改善。

3.3 其他新工艺引入

就目前情况而言，DES（显影蚀刻去膜线）蚀刻工艺的蚀刻均匀性差，需严格进行生产控制以改善电阻精度，而mSAP线宽均匀性良好，但易产生孔口铜薄问题，且流程复杂较难控制，故需要引入其他新工艺。

较好的办法是第一次图形转移先制作电阻长度，即先将不需要的铜及电阻上方的铜一次性蚀刻掉，然后进行第二次图形转移，保护电阻位置处的电阻层，将其余的Ni-P层蚀刻掉，Ni-P层厚度仅200 nm，线宽均匀性很好控制。但第一次图形后已使Ni-P层裸露，第二次图形贴膜的结合力问题等易对电阻制作造成影响，需要进行试验系统评估。

4 结论

本文主要针对目前客户电阻尺寸设计越来越小，精度要求越来越高的现状，对PCB埋置电阻精度的影响因素，包括材料本身的精度、两次图形转移分别制作宽度和长度、制程中电阻稳定性等进行研究和分析，从生产控制进行改善，并应用于实际生产。得出的主要结论如下。

（1）根据对埋置电阻影响因素的分析，对于小尺寸电阻的误差相比大尺寸电阻会有很大的增加，且对于电阻长宽比大于1的设计，实际生产及理论推断均表明宽度是关键的控制因素。

（2）根据对蚀刻过程的分析，测量阻值、宽度可反推得到实际长度尺寸的补偿量，指导图形设计。

（3）对于0.25 mm×0.125 mm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；

（4）对于电阻制程能力的提升方面，引入mSAP工艺、改变制作顺序等办法均可有效地提升制程能力，提高均匀性，但会有孔口铜薄问题，且流程较长，这需要以后持续地研究及改善。