高速印制电路板外层蚀刻线宽均匀性提升探讨

王世清 周 斌 李金鸿 雷 川

（公司重庆方正高密电子有限公司，重庆 401332）

0 前言

随着印制电路板（PCB）的高速化及高密度的发展，对蚀刻线宽均匀性能力提出较高挑战。其表现在存储器、高端路由器、高端服务器等为代表的产品,阻抗控制到±8%，甚至更低，这对PCB线宽能力要求必须达到±8.89 μm，Cpk≥1.33，其阻抗才能满足±8%要求。但当前有些蚀刻线设计水平在10年前，蚀刻段设计喷嘴类型和排布设计比较单一，不适合高速PCB的密集线路的生产。

本文从实际生产PCB外层板（标准设计铜厚55 μm，线路101.6 μm/101.6 μm）过程中遇到的线宽均匀性问题，经模拟验证，在不改变蚀刻设备整体设计（整体流量400 L/min、整体压力0.25 MPa、喷头材料Kynar、喷头数量16个/组、喷射角度65°）前提下，通过调整蚀刻喷头类型和排布来提升线宽均匀性，效果显著。

1 现况分析

1.1 设备分析

某碱性蚀刻线（X厂商）蚀刻段设计如表1所示。

表1 蚀刻段设计表

从蚀刻段设计看出如下几点。

（1）蚀刻1段为主蚀段，蚀刻2段为左右补偿段，蚀刻3为前后补偿段；

（2）在排布铜厚均匀性影响的条件下，蚀刻线宽均匀性主要影响为蚀刻1段；

（3）蚀刻段喷头喷射类型主要为扇形喷头，主蚀段1全为扇形喷头，横向排布。

1.2 生产板线宽差异分析

（1）设计测试板铜厚50 μm（基铜35 μm+镀铜20 μm，模拟正常碱蚀板一铜铜厚），尺寸510×610 mm（20"×24"），设计线路L/S：101.6/101.6 μm（4/4 mil），不同线路图形设计如图1所示。

图1 不同线路图形设计

（2）按照以上测试板设计，过蚀刻线确认线宽（线宽按101.6±12.7 μm）均匀性分布如图2所示。

图2 改善前101.6/101.6 μm线不同方向的过程能力

从以上数据看出，横向线与竖向线线宽差异10.16～12.7 μm，导致整体线宽Cpk0.9，线宽均匀性差。

（3）品质案例。此设计蚀刻线，在正常生产板生产过程中，铜厚在55～65 μm之间，因横向与竖向线宽极差表现明显同样发现阻抗极差较大情形。如图3所示为某品字形排版料号，客户阻抗条设计，实际阻抗数据差异较大见图4所示。

图3 不同方向排列的线路示例

图4 不同方向排列的线路阻抗对比

从阻抗数据表现看，竖向样板1、样板2与横向样板3阻抗差异12 Ω，横向线宽平均小12.7 μm。

从以上现况分析，蚀刻1段扇形喷嘴+横向排布对横向线咬蚀速率快，竖向线宽咬蚀速率慢，是导致线宽均匀差的主要原因。后面改主要针对蚀刻1段进行改善验证其对线宽影响。

2 试验设计

2.1 喷头分类

喷头种类多达千种以上，喷头类型常从喷射出的形状、螺纹大小、喷雾效果、材料等因素进行区分种类。具体可分为两大类：（1）喷射型喷头：扇形喷头、实心锥形喷头、空心喷头、液柱流喷头等；（2）喷雾型喷头：环保喷头、除尘喷头、冶金喷头、喷涂喷头、清洗喷头、喷射冷却喷头常见材质有303、304、316、2205不锈钢材质，哈氏合金材质、碳化硅、PVDF（聚偏氟乙烯）、PP（聚丙烯）、塑胶[PVC（聚氯乙烯）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、FUD（氟树脂聚合物）]、陶瓷等材质。

2.2 喷头在PCB中的应用

（1）喷头在PCB生产中的常见应用如下。

①显影、冲洗、除膜—Kynar，ProMax扇形喷头；

②蚀刻—Kynar，ProMax扇形喷头、实心锥形喷头；

③清理毛口、磨板清洗—VeeJet，WashJet高压扇形喷头；

④磨板清洗-VeeJet，WashJet高压扇形喷头；

⑤各程序间风屏—WindJet吹风喷头。

在PCB线路蚀刻工艺中，喷头主要用到有Kynar，ProMax扇形喷头、锥形（实心）喷头。

（2）其主要原理如下。

①扇形喷头：扇形喷头设计是能发生高冲击力的扇形喷雾，喷雾形成了直线型打击模式，使得单位面积上提供更大的打击力度，切向速度快，常见扇形喷头喷雾角度为0～110°。扇形喷头喷射出来的喷雾分布均匀，液滴巨细为小到中等。当需要若干扇形喷头发生堆叠喷雾时，具有特征的逐步变细的扇形喷头边使喷雾覆盖区散布均匀。

②锥形喷头：能喷射出锥形环状喷雾，喷雾颗粒分布均匀。锥形喷头能喷射出细小的雾化颗粒，具有大而畅的流通道，能减少堵塞的现象发生。锥形喷头帽具有宽角喷雾类型，喷射角度广。

扇形与锥形两者喷雾类型对比见图5所示。

图5 锥形喷头和扇形喷头的喷射形态

2.3 喷头设计与排布验证

PCB蚀刻工艺中，蚀刻1段为主要影响段。根据喷头原理将蚀刻1段14组喷管做对比测试（见图6所示），观察对线路线宽均匀性影响。

3 试验数据分析

根据以上试验设计流程，对不同的喷管进行设计排布，用1.2节中提到的相同测试板，进行线宽均匀性验证。

（1）按照测试板各线路图形（横向、竖向、圆形、45°、135°）量测数据各10组，共50组，数据统计（线宽按照±12.7 μm统计）结果见图7所示。

图7 蚀刻线喷头设计排布后线宽均匀性结果

从以上数据看出线宽均匀性品质优先顺序为：设计4＞设计3＞设计2＞设计1＞原设计。

（2）新设计4 方案蚀刻，按照线路L/S：101.6 μm/101.6 μm±8.89 μm管控，对不同方向布设的线路进行了测量（见图8所示），其品质都符合要求。线宽按照±8.89 μm管控，Cpk仍旧高达1.69，对阻抗控制到±8%完全可以满足。所以，按照设计方案4测试效果最佳。

图8 线路测量

以上仅是厂内一条生产线测试结果，设计方案4的线宽品质表现最佳，主要还是其喷射覆盖面积或者说喷射方向，有扇形喷头覆盖方向和锥形喷头覆盖方向存在互补关系。互补关系从原始设计与设计1中有规律可循：原设计中扇形喷头所喷射出的药水覆盖基本是重叠无间隙（如图9所示），喷射方向的速率更高。

图9 原蚀刻线喷头设计排布

设计方案1中锥形喷头喷射角度均匀，覆盖面积有部分未重叠，未重叠部分按照面积计算占比约22%（图10的A区域），固横向线宽相关方向相对减少22%蚀刻药水攻击，在线宽品质上表现出横向线宽小7.62 μm左右。

图10 设计方案1的蚀刻线喷头设计排布

小结：从以上实际结果看出，2组扇形喷头+2组锥形喷头搭配，能有效提升线宽均匀性，线宽Cpk能力提升1.4以上，达到了预期效果。

4 结论

从以上测试结果看出，调整蚀刻段喷头及排布能有效提升外层线宽均匀性，对应阻抗均匀性应有良好提升。锥形喷头喷出药水因覆盖在线路板上面积有部分不重叠，影响线宽某一方向蚀刻铜速率。扇形喷头对平行于同一水平线切向速率较快，垂直方向受阻力影响速率降低（铜越厚越明显）。故两者需综合搭配才能在各个方向将蚀刻铜速率控制在稳定范围，线宽均匀性才能达到最佳。