移動通信用PCB精細(xì)線路制作工藝研究

岑勁聰

摘 要：4G及5G移動通信信號傳輸頻率與傳輸速率不斷提高，對印制電路板中負(fù)責(zé)信號傳輸?shù)木€路精細(xì)程度、線路長度及線路密度之要求也日益嚴(yán)苛。為滿足移動通信對高性能印制電路板的要求，文章開發(fā)出了一種新的半加成法技術(shù)，用以制作精細(xì)線路。結(jié)果表明，這種新的半加成法能夠避免磁控濺射、化學(xué)鍍銅以及減薄銅等傳統(tǒng)半加成制作方式的缺陷，獲得適用于移動通信的精細(xì)線路。

關(guān)鍵詞：移動通信；精細(xì)線路；半加成法；印制電路板

中圖分類號：TN6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2945（2018）36-0100-02

Abstract： With the increasing frequency and transmission rate of 4G and 5G mobile communication signals， the requirements of line fineness， line length and line density for signal transmission in printed circuit board （PCB） are becoming more and more stringent. In order to meet the requirements of mobile communication for high performance printed circuit board （PCB）， a new semi-addition technique is developed to fabricate fine circuit. The results show that the new semi-addition method can avoid the defects of traditional half-addition methods such as magnetron sputtering， electroless copper plating and thinning copper， and obtain fine circuits suitable for mobile communication.

Keywords： mobile communication； fine circuit； semi-addition； printed circuit board

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)進(jìn)入了4G通信時代，并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了5G通信的概念[1]。正因如此，移動通信對信號的傳輸頻率與信號的傳輸速率也提出了更高的要求。與此同時，信號的傳輸頻率與傳輸速率又與印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）中承載信號傳輸線路的精細(xì)程度息息相關(guān)[2]。一般而言，線路的精細(xì)程度越高，高頻信號因趨膚效應(yīng)在線路表面?zhèn)鬏敃r，信號發(fā)生散射而造成損耗的幾率也就越小[3]。隨著移動通信設(shè)備便攜式、輕量化與集成化的發(fā)展趨勢日漸明朗，其IC芯片的I/O接口也隨之大幅增多，這就要求增加PCB精細(xì)線路的長度及密度，以便滿足目前移動通信設(shè)備的應(yīng)用與發(fā)展需求[4]。

到目前為止，制作高密度精細(xì)線路較有前景的工藝技術(shù)當(dāng)屬半加成法。這種方法的原理是通過化學(xué)鍍銅、磁控濺射以及減薄銅等工藝在PCB基材上制備出一層1-3um銅薄膜，然后對需要制作精細(xì)線路的區(qū)域進(jìn)行遮光處理，待曝光顯影露出銅面后再行電鍍制備出需要的線路，最后將剩下的干膜褪去后快速蝕刻掉非線路區(qū)域的銅薄膜[5]。然而，化學(xué)銅方法結(jié)合力不足，磁控濺射成本高、效率低，而減薄銅難以獲得厚度均勻的銅薄膜[6]。針對上述三種方法的缺陷，本文另辟蹊徑，將化學(xué)鍍銅改為化學(xué)鍍鎳在PCB表面利用半加成法制備精細(xì)線路，不僅克服了上述三種成膜方法的不足，而且還獲得了鍍層結(jié)合力好、精細(xì)程度高的線路圖形。

2 實驗

2.1 實驗原料及儀器設(shè)備

所用原材料：環(huán)氧樹脂基材、鎳蝕刻液、銅電鍍液、感光抗蝕干膜、顯影液、活化液、化學(xué)鍍鎳試劑等。

所用儀器設(shè)備：金相顯微鏡、哈林槽、曝光機(jī)、小型鑼機(jī)；回流焊機(jī)、DES線、等離子體處理機(jī)等。

2.2 實驗過程

化學(xué)鍍鎳：首先將環(huán)氧樹脂表面進(jìn)行等離子處理后，再利用高錳酸鉀去除等離子處理過程中在環(huán)氧樹脂表面的有機(jī)殘留物，接著去除環(huán)氧樹脂表面殘留的高錳酸鉀及其還原產(chǎn)物，并對基材表面進(jìn)行除油處理，用于調(diào)整基材表面電荷分布以便于后工序活性鈀的吸附。然后利用活化液改性對基材進(jìn)行敏化活化處理，使其表面沉積上一層具有催化作用的鈀原子。最后將經(jīng)過活化敏化處理的環(huán)氧樹脂基材浸入鍍液中進(jìn)行鎳沉積。需要說明的是，上述步驟中等離子處理的目的是為了提升鎳層與環(huán)氧基材之間的結(jié)合力。

曝光顯影[7]：在環(huán)氧基材鎳層表面貼上抗鍍干膜，并將光繪線路圖形的菲林粘貼于抗鍍干膜表面進(jìn)行曝光處理。在這一步驟中，需要制作精細(xì)線路部分的干膜表面要求遮光，在曝光過程中不發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，在后續(xù)顯影過程中能夠被去除。而不需要制作精細(xì)線路部分的干膜表面因無遮光處理，可以與光發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，在后續(xù)顯影過程中干膜被保留住，從而對鎳層起到保護(hù)作用。

圖形電鍍：將經(jīng)顯影過后的環(huán)氧基材浸入哈林槽中，同時以環(huán)氧基板和磷銅板分別作為電鍍的陰陽兩極進(jìn)行電鍍。經(jīng)曝光顯影后，需要制作線路的部分因干膜被去除而被電鍍沉積上銅原子，剩下的區(qū)域因有干膜保護(hù)而無法被電鍍。電鍍所設(shè)置的電流密度為0.78A/dm2，電鍍時間設(shè)置為125分鐘。

退膜與蝕刻[8]：利用NaOH溶液將鎳層表面的干膜去除后，再利用鎳蝕刻液快速蝕刻掉不需要的鎳層，最終完成精細(xì)線路的制作。

觀察與測量：將經(jīng)鎳蝕刻后的基板沿橫截面方向取樣并制作成切片，然后利用金相顯微鏡進(jìn)行觀察和分析，確定出最佳的鎳蝕刻速度，并測量在此蝕刻速度下，最終獲得的精細(xì)線路的寬度。

3 結(jié)果與討論

因化學(xué)鍍鎳是此新型半加成法的關(guān)鍵步驟，因此其厚度對后續(xù)的鎳蝕刻速度顯得尤為重要。在基板經(jīng)曝光顯影過后的電鍍過程中，基板作為陰極，其未被干膜覆蓋的區(qū)域被電鍍上了銅原子形成線路圖形。此時的電鍍銅原子是沉積在鎳層表面，隨著電鍍時間的延長，線路部分與鎳層之間的高度差越來越大，如圖1所示。待線路銅厚達(dá)到指定厚度時隨即停止電鍍，然后進(jìn)行鎳蝕刻。本文的鍍鎳層厚度為2μm，分別蝕刻1分鐘、2分鐘、3分鐘，對應(yīng)的蝕刻效果分別如圖1（a）、1（b）及1（c）所示。經(jīng)觀察后可以得知，對于2μm厚的鎳層，當(dāng)蝕刻時間為1分鐘時，鎳殘留較多，此時表現(xiàn)為蝕刻不盡；當(dāng)蝕刻時間為3分鐘時，線路圖形下方的鎳層開始被咬蝕，此時表現(xiàn)為蝕刻過度，已經(jīng)嚴(yán)重影響到鎳層與環(huán)氧基材之間的結(jié)合力；當(dāng)蝕刻時間為2分鐘時，線路圖形下方的鎳層基本完好，非線路區(qū)域的鎳層也被蝕刻干凈，此時效果最為理想。

當(dāng)確定好鎳蝕刻所需要的時間之后，利用光繪技術(shù)繪制出線路圖形菲林，并利用圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)將其轉(zhuǎn)移到環(huán)氧基材所在的PCB上，通過電鍍工藝將線路電鍍至指定的厚度。因為移動通信設(shè)備對線路的寬度要求較小，一般為30-50μm，甚至更低。因此，本文主要研究鎳層上電鍍銅線寬的工藝制作能力。圖2（a）與圖2（b）分別是利用新型半加成法所制備出的50μm及30μm線寬的精細(xì)線路。從圖中可以看出，這種新型半加成法所制備的線路不僅線寬較為細(xì)小，而且線路平整度也較好，能夠較好地滿足移動通信設(shè)備對PCB線路的要求。同時，在該方法的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計和化學(xué)試劑的合理選擇，對于30μm以下精細(xì)線路的制作也是可行的，能夠進(jìn)一步滿足移動通信設(shè)備對PCB更為嚴(yán)苛的精細(xì)線路要求。

4 結(jié)論

通過在環(huán)氧樹脂基材表面采用化學(xué)鍍的方式沉積2μm厚的鎳薄膜層，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)出一種新的半加成法用以制備移動通信設(shè)備所需的精細(xì)線路是一種行之有效的創(chuàng)新。不僅能制備出30-50μm寬度的精細(xì)線路，而且還能保證線路的平整度。可以預(yù)見的是，未來隨著光繪技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，結(jié)合該新型半加成法，制備30μm以下更為精密的精細(xì)線路以滿足移動通信設(shè)備對PCB更為嚴(yán)苛的精細(xì)線路要求，也不失為一種可行之舉。

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