生產過程中的PCB線寬分析研究

李 堅，茍 輝，張國榮，于 梅

（中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安710068）

隨著信號傳輸速度迅猛提高、高頻電路的廣泛應用，印制電路板（PCB）的集成程度急劇提升，如層數的增加、器件的密集、線寬線距細化等[1]。相應的，PCB生產制作的安全可靠性要求也越來越高，PCB線寬的保證是電路連接可靠性、阻抗板阻抗值滿足要求的關鍵。為了更好地控制實際生產線寬、提前進行線寬工藝補償，為生產提供理論指導，在印制板生產過程中，研究各工序對線寬的生產加工能力、建立各工序對線寬生產的影響關系十分必要[2]。

PCB生產過程中影響線寬變化的主要工序有工程前處理、光繪、圖形轉移和蝕刻[3]。本文分別從該4道工序出發，研究其對線寬的影響關系。

1 工程處理對PCB線寬的影響

工程處理就是根據車間生產加工能力，將EDA設計好的PCB文件，通過工程軟件進行工程處理，制作成車間生產的指導性文件，以完成印制板的生產。作為PCB生產前的第一道工序，工程文件制作的合理性、正確性直接決定板子的“生命”。在工程處理線寬時，根據車間生產能力，對板面上過細的線條會加以補償，如將127μm（5 mil）及以下線寬工程補償到137.16μm（5.4 mil），以便為后續生產留足夠的加工余量。為盡可能詳盡地分析不同線寬在整個生產過程中的變化情況，本文選取含有多種線寬且線條分布較均勻的十層板作為研究對象，板內各層線寬情況如表1所示。其中，L3層和L5層板內均為137.16μm的線條，L3層線條數量稀少、位置孤立，L5層線條充盈且分布均勻。

2 光繪對PCB線寬的影響

將電信號轉變為光信號，采用光學原理在銀鹽膠片上得到與工程文件尺寸相同、圖形一致的影像，這一過程稱為“光繪”。其加工流程為接收工程文件→光繪處理→生成gbr文件→排版→生成光柵文件→繪圖。工程文件制作完成后，就需將工程文件繪制成光繪底片。該工序是影響線條寬度變化最重要的環節，因為在繪制底片時，繪制圖像不僅與線條分布、線條寬度、光繪補償值有關，顯影液的使用時間對繪制線寬也有著很大影響。本文以更換一次顯影液為光繪生產周期（2周），按照2 d小批量繪制一次，記錄每次光繪機繪制的各層同位置線條寬度。

本單位使用SLEC-9600型激光光繪機進行底片生產，底片線寬采用OLYMPUS DSX10-TF金相顯微鏡測量，如圖1所示。隨機記錄光繪周期內各層同位置的線條寬度，由于數據量龐大，這里只記錄每層線寬的5組數據并取其平均值，記錄數據如表2所示。為便于后續線寬分析，取6次光繪的平均線寬作為光繪分析線寬。

圖1 底片線寬測量

從表2可以看出，在一次顯影液更換周期內，隨著光繪繪制次數的增加，同等條件下繪制的線條寬度逐漸減小，這與顯影液使用時長及溶液活性有關。在顯影液更換周期內，可以保證光繪繪制的線寬要大于設計線寬。經過大量數據比對得到，一般對于152.40μm以下線寬，繪制線寬比設計線寬大1～8μm；對于152.40μm及以上線寬，繪制線寬比設計線寬大2～10μm。

3 圖形轉移對PCB線寬的影響

圖形轉移就是將照相底版上的電路圖像轉移到覆銅箔層壓板上，形成一種抗蝕或抗電鍍的掩膜圖像，其工藝流程大致為刷板前處理→貼膜→曝光→顯影。前處理是通過刷板清潔板面，使板面粗糙，使干膜牢固地粘附在基板表面。貼膜為后續曝光做準備，曝光就是紫外光通過底片使底片上透光圖形感光，使圖形轉移到印制板上的過程。顯影是將干膜中未曝光部分溶解于顯影液而被去除，留下感光部分，起抗蝕刻或電鍍保護的作用[4-5]。根據車間標準作業指導書要求進行圖像轉移過程，記錄圖轉顯影后印制板各層同位置線條處的線寬，由于測量數據龐大，這里隨機統計每層同位置線條的5組數據并取其平均值，記錄數據如表3所示。

表3 各層顯影后線寬（單位：μm）

分析表3數據得出，各層顯影后的線寬均大于設計線寬和光繪線寬。其152.40μm以下線寬顯影后大于設計線寬10～12μm，152.40μm及以上線寬顯影后大于設計線寬7～10μm，這與底片圖形分布、曝光方式和曝光過程有關。且顯影后的線寬與光繪機補償線寬相近，這說明從光繪到圖轉過程中線寬變化規律穩定，可以根據光繪補償線寬很好地控制圖轉顯影后的線寬，為生產提供經驗指導。

4 蝕刻對PCB線寬的影響

以化學的方法將覆銅箔基板上不需要的部分銅箔去除，使之形成所需要的電路圖形，稱為“蝕刻”。根據光繪底片繪制原理的不同將蝕刻工序分為酸性蝕刻和堿性蝕刻，酸性蝕刻是將未被干膜保護的銅面通過酸性蝕刻液腐蝕，再通過去膜工序將保護線條的干膜去除，達到內層蝕刻的效果。堿性蝕刻是將未被錫保護的銅面通過堿性蝕刻液腐蝕，再通過退錫液去除電鍍錫層，留下需要的圖形部分[6]。酸性蝕刻用于單片，單片銅厚1 Oz（1 Oz代表PCB的銅箔厚度約為35μm）；堿性蝕刻用于外層，外層銅厚0.5 Oz。根據車間標準作業指導書要求進行內外層蝕刻，記錄蝕刻后印制板各層同位置線條處的線寬，這里隨機統計每層同位置線條的5組數據并取其平均值。由于蝕刻過程線條會發生側蝕，因此蝕刻后的線條會存在上下線寬，記錄蝕刻后線條寬度平均值如表4所示。

表4 各層蝕刻后線寬（單位：μm）

從表4可以看出，L3層137.16μm的線寬小于設計值，且偏離設計值范圍較大，這是由于該線條較細且位置孤立，蝕刻時線條與蝕刻液接觸充分、蝕刻量過大導致的；L5層均是137.16μm的線條，線條分布均勻，蝕刻后的線條寬度與理論要求值較匹配；其余層線條寬度較寬，蝕刻結果比較理想。各層蝕刻后的線寬均能滿足國軍標要求，生產合格。

蝕刻采用中線寬作為分析線寬，將各工序線寬統計匯總，如表5所示。各工序線寬變化如圖2所示。

可以看出，光繪線寬和顯影后線寬大于設計線寬，顯影后線條寬度達到最大，為蝕刻工序留最大加工余量，蝕刻后的線寬接近設計線寬。

表5 生產過程各工序線寬比對（單位：μm）

5 小結

對各工序印制板線寬跟蹤分析對比得到：①隨著光繪繪制次數的增多，同等條件下繪制的線條寬度逐漸減小，但均大于設計線寬；②圖形轉移顯影后的線寬與光繪補償線寬相近，可以依據光繪線寬把控顯影后的線寬；③蝕刻線寬不僅與附銅厚度、蝕刻參數有關，也與線條分布密切相關，越孤立處的線寬越不易控制，在工程處理時對孤立線條進行線寬補償尤為重要。