一种新型PTFE覆铜板的精细图形制作前处理工艺优化

赵丹，邹嘉佳，范晓春，管美章

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥230088）

一种新型PTFE覆铜板的精细图形制作前处理工艺优化

赵丹，邹嘉佳，范晓春，管美章

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥230088）

精细图形制作的前处理工艺对印制电路板的铜表面粗糙度影响很大。对一款新开发的PTFE覆铜板表面采取机械磨刷、喷砂研磨、化学微蚀3种前处理工艺，通过SEM及粗糙度结果分析了处理后铜面的粗化效果。结果表明，化学微蚀前处理方式有利于获得较好的铜面外观，采用相应的图形制作工艺参数可达到较好的线宽精度要求。

高频覆铜板；前处理；图形制作；粗糙度

1 前言

近年来电子与通信产品在高速、高频化方面得到迅速发展，尤其是尖端领域的军用电子，频段已发展至毫米波段(80～100 GHz)。与此同时，由于电子产品轻薄短小和多功能的需求不断增加，从而打破了高频电路板走“马路式”线宽的道路，逐渐转变为高密度化布线技术。目前，0.1 mm/0.1 mm的线宽/线距已成为高频印制板产品的主流设计规格，因此精细线路制作技术和信号线宽公差控制技术就变得尤为重要[1]。根据IPC标准，常规线路线宽/线距按±20%的公差控制，阻抗线路线宽/线距按±10%的公差控制[2]。高频PCB的线宽/线距控制涉及图形制作工艺多方面的内容，其中图形制作前处理是决定精细图形最终性能的重要环节之一[3]。

图形制作工序作为印制板生产的重要过程之一，其常规制作工艺流程为：去油→前处理→贴膜→曝光→显影→蚀刻→表面镀涂。前处理为图形制作不可或缺的步骤，其作用一方面是为了除掉铜面油污、氧化、残留药水、水迹、异物等污染物，提高铜面的清洁度；另一方面是为了粗化铜面，增强化干膜与铜面的附着力。前处理方式一般有3种，特点比较如表1所示[4]。

表1 前处理方式特点比较

文中对一款新提供使用的PTFE高频覆铜板进行图形制作前处理工艺探索，为后续产品的多层板批量生产奠定技术基础。

2 实验部分

2.1 试验材料及仪器

文中使用的PTFE高频覆铜板为厚度0.254 mm、铜厚35 μm的双面板。测试设备主要为SIGMA/蔡司光学公司的电子显微镜SEM和北京时代之峰科技有限公司的TR110型袖珍式粗糙度仪。

2.2 主要试验方法及试验参数

3种前处理工艺具体参数如表2所示。

表2 前处理工艺参数

3 结果及讨论

3.1 不同前处理工艺的表观形貌分析

PTFE为基体的覆铜板经过3种前处理后的铜面SEM照片如图1所示。从图1中可以看出，3种方法得到的处理铜面整体都较平滑。喷砂研磨法处理得到的表面形貌为层状波浪形，铜面翘起一层微米级小片；化学微蚀法处理得到的表面形貌是密集凹坑，凹坑紧密相连且坑底有几十纳米级的褶皱起伏；机械磨刷法处理得到的表面形貌为条状交叠，条形长度为10-1～101微米量级，宽度为10-2～101微米不等。由此可见，前处理后，精细化的铜面不仅为抗蚀剂与铜箔提供了最大的接触表面积，而且同时可以防止曝光光线在铜面的反射，避免导体线路图形边缘模糊。

图1 3种前处理工艺形貌图

3.2 不同前处理工艺的表面粗糙度分析

经前处理的粗糙铜表面为图形转移的干膜提供了足够的接触面积。然而精细线路的制作面临表面粗糙度相互矛盾的两个要求：（1）要达到精细的图形精度，表面粗糙度越小越好；（2）要使干膜或其他抗蚀材料与铜箔表面有良好的结合力，必须保持表面有一定的粗糙度。因此选取3种粗糙度参数Ra、Rt和Rz进行分析。

Ra、Rt和Rz均为表面粗糙度幅度参数（纵坐标平均值），在GB/T3505-2000《产品几何技术规范表面结构轮廓法表面结构术语、定义及参数》和GB/T3505-1983《表面粗糙度术语表面及其参数》中有明确定义[5～6]。

图2 Ra取值示意图

Rt是评定长度（lc）内最大的峰谷垂直距离（GB/T3505-2000），其中lr为评价长度，计算原理如图3所示。

图3 Rt取值示意图

图4 Rz取值示意图

3种前处理工艺的铜表面粗糙度如表3所示。Ra和Rz是两个相互独立的参数，Rz＜Rt。由于Rz的概念直观且较严密，在实际测量中被广泛使用。

表3 不同前处理工艺的表面粗糙度

通过表3可见，3种前处理工艺均会降低Ra和Rz，即表面波峰与波谷的落差减小，表面更加精细。经过喷砂研磨处理的铜表面，精细结构上相对粗糙，对应表3，则呈现为Ra相对较大。经过机械磨刷的平整化作用，平整度会比喷砂研磨方式有所提高，即Ra有所下降。经过化学处理会得到非常精细的表面结构，局部结构非常精细，得到的比表面积大大增加，且平整度较好，表现为Ra最低而Rz最大。

国外文献报道，表面粗糙度适当（5 mm＞Rz＞2 mm和0.6 mm＞Ra＞0.2 mm的值适当）才能得到边缘清晰、结合力良好、无缺陷的精细线路[7]，因此实验中的喷砂研磨和化学微蚀两种前处理工艺均能满足要求，而化学微蚀法得到的铜面Rz最大。由于化学方法处理不仅能改善表面的物理形状，而且能从微观上改变晶体结构，活化金属表面，增大表面能。在紫外光的作用下，铜更容易与感光抗蚀剂形成化学键合，而表面的附着性是感光抗蚀剂与铜表面的物理和化学键合共同作用的结果。因此最终选取化学微蚀的方法对微带板进行前处理。

3.3 化学微蚀前处理工艺的线路分析

采取化学微蚀法处理的PTFE基PCB图形制作的工艺参数如表4所示，其中线宽/线距设置为0.2 mm/0.2 mm。

表4 PTFE PCB的图形制作工艺参数

图5 化学微蚀法处理后PTFE PCB的图形制作形貌

PTFE试验板采用8级曝光能量对线宽线距进行曝光影响，如图5（a）所示，显影后的线条如图5（b）所示。图中可见，8级曝光出来的板用50×测量50.8～89 μm其露铜线宽及干膜宽刚好于设计线宽间距无余胶、无干膜翘起现象。使用压力137.9 kPa、速度2.0 m/min的显影工艺后，未发现余胶，无干膜翘起现象，其线宽/线距根据GJB362B测试，结果符合设计要求。以上相关曝光、显影条件后生产出来的板于2.0 μm微蚀量试验板显影之后未发现掉膜现象，用3M胶带测试附着力均未发现有脱离现象，说明PTFE试验板在此条件下显影及附着力正常，可使用此参数为基准进行批量生产。

4 结论

考察了一款新型PTFE覆铜板的图形制作前处理工艺，研究发现：

（1）图形制作前处理效果对精细图形转移干膜附着力和曝光显影均有影响，铜面平整度高和精细结构粗糙度高有利于精细图形的曝光显影制作。

（2）喷砂研磨和化学微蚀处理方法得到的PTFE高频板铜面表面粗糙度高，机械磨刷的表面粗糙度较低，喷砂研磨和化学微蚀两种方法比较，化学微蚀处理方法兼具粗糙度和平整度的双重优势。

（3）在化学微蚀处理方法的基础上对PTFE高频板进行显影蚀刻，得到的试验板线条满足指标要求，可作为后续批产工艺依据。

[1]陈世金.从ECWC13报告看高频高速PCB的工艺新发展[J].覆铜板资讯，2014(4)：33-36.

[2]IPC-A-600J-2016.Acceptability of Printed Boards[S].

[3]李长生.PCB图形转移线干膜宽损耗的研究[J].印制电路信息，2011(11)：22-24.

[4]邓银，张胜涛，苏新虹，等.前处理对化学沉镍金金面外观影响的研究[J].印制电路信息，2011(11)：30-35.

[5]王芹.实际测量中表面粗糙度参数的选择及测量误差的分析[J].计量测试与检定，2014，24(1)：5-7.

[6]甘晓川，张瑜，刘娜，等.表面粗糙度参数Rz、Rmax、Rt、R3z、RPc等的测量[J].校准与测试，2008(9)：75-77.

[7]朱斌，刘晓阳.铜表面形貌对HDI精细线路图形转移的影响[J].印制电路信息，2008(6)：30-35.

作者简介：

吉兵（1988—），男，新疆阿勒泰人，硕士研究生，研究方向为无线传感器网络及信息安全，目前就职于中国电科58所SOC研发中心。

Studies of Pretreatment Optimization of Fine Pattern Manufacture for High-Frequency PTFE Laminate

ZHAO Dan,ZOU Jiajia,FAN Xiaochun,GUAN Meizhang
（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute,Hefei 230088,China）

Pretreatment has a great impact on copper surface of printed circuit board during fine pattern manufacture process.Three types of pretreatment technologies,brush scrubbing,pumice and chemical micro-etching,are used for a novel high frequency PTFE laminate.The surface of the copper after three different pretreatments are analyzed by Scanning Electron Microscope(SEM)and Alpha-step IQ surface profiler.The results show that copper surface pretreated by chemical micro-etching is conducive to obtain better copper surface.The line width of PTFE PCB using chemical micro-etching method meets the requirement of 0.1/0.1 mm±0.020 mm.

high frequency laminate;pretreatment;pattern manufacture;roughness

TN405

A

1681-1070（2017）02-0033-04

赵丹（1983—），男，浙江东阳人，硕士，高级工程师，现就职于中国电子科技集团公司第38研究所，主要从事雷达工艺总体技术的研究。

2016-10-13