精細埋阻制作精度分析及改善

劉 涌

（上海美維電子有限公司，上海 201613）

0 前言

電子設備微型化、元件高密度化、高性能化的要求推動了PCB和IC封裝中埋入無源式元件技術的發展，元件的埋入可以有效節約空間及成本，減小及損耗以提高信號質量，且通過表面焊點的減少獲得更高的可靠性。埋電阻是一種重要的埋入無源元件技術，而其中平面薄膜電阻技術通過將薄膜電阻材料沉積在銅箔上，因其與普通PCB制程兼容性好，厚度、阻值均勻性好，可靠性高等優點得到廣泛的應用。

埋阻精度的影響因素很多，包括材料本身的精度、需經過兩次圖形轉移分別制作寬度和長度、制程中電阻穩定性等。因此，目前客戶電阻線寬設計越來越小（最小達0.1 mm），電阻長度最長300 mm，方阻值從25Ω/□到250 Ω/□不等，對應電阻值從50Ω到500 kΩ，對精度要求越來越高（依據不同的電阻設計客戶會提出不同的公差要求，最小公差要求±5%），給我們帶來很大的挑戰。

1 電阻制作精度分析

一般生產板設計4層結構，L1層為埋阻層（包含銅箔及沉積于銅箔上的一層黑灰色Ni-P電阻層），銅厚28 μm，使用50Ω/□材料，Ni-P層厚度200 nm，材料本身公差±5%，設計電阻大小100Ω，則方阻值為電阻值×電阻線寬/阻線長度，此設計為長度大于寬度的電阻設計（如圖1）。

圖1 生產板疊構

1.1 制作流程及影響因素

圖2 電阻制作流程

1.2 誤差傳遞及公差計算

關于公差，一般采用直接RS、l、w的公差相加的辦法進行估算。但如果精確估算，應根據電阻理論公式進行計算。另外，在電阻Ni/P層暴露后會經過堿性蝕刻藥水、黑棕化藥水及阻焊前處理藥水的攻擊，Ni/P層的厚度會受到不同程度的影響，且材料不同變化量也差異較大，最大變化量達80%，我們暫不考慮過程中方阻值的變化。

采用以下方式模擬計算公差：[Rs方阻是材料固有值，PCB過程會變化嗎？]（式1）。

一般來說，我們假定電阻的長度、寬度公差為±20 μm，即對于長度500 μm×寬度250 μm電阻，長度公差±4%，寬度公差±8%，直接將公差相加得到（式4）。

t=0.04+0.08+0.05=±0.17（±0.17%）而采用上述模擬計算公式得到：

兩者計算相差不大。

而對于0.25 mm×0.127 mm的小尺寸電阻，長度公差±8%，寬度公差±16%，直接將公差相加得到：而采用上述模擬計算公式得到（式5）。

兩者計算相差較大，且模擬計算得到的值較大，即對于小尺寸電阻，各因素公差變大，因素間的影響也不可忽略。由此模擬計算的結果看，對于小尺寸電阻，公差相比大尺寸電阻會有很大的增加（不僅是長寬公差增加值的簡單相加），且對于方阻數大于1的設計，寬度是關鍵的控制因素。故我們使用此方法預估可能的公差，并抓住重點因素加以改善。

1.3 寬度的制作能力

我們根據多批次生產板的制作經驗，進行精確的測量，得到穩定的寬度補償量。1.2節中假定長度、寬度蝕刻公差均在±20 μm，而實際的公差則需實際測量確認。現以生產板取1set為例，測量寬度長度，從結果看，寬度制作能力較差，長度制作能力基本可滿足要求，即寬度是電阻制作的關鍵制約因素，這與預期結果一致（見表1）。

2 電阻制作精度改善

從上文分析得到，對于長250 μm ×寬125 μm的小尺寸電阻，需綜合考慮各個影響因素，根據目標值對長度、寬度進行精確補償，從而保證電阻中值控制到位；且找到了電阻精度改善的關鍵因素，即寬度制作，故需從寬度角度進行改善。

2.1 生產控制方法改善

針對寬度均勻性差的狀況，需在第二次蝕刻時進行調整，盡量減小寬度對精度的影響。一般采取第二次蝕刻時首板確認電阻值以調試蝕刻速度的辦法。我們提出在每個set旁增加一組電阻測試條（與單元內設計一致）的辦法用于監控單元內電阻，在第一次圖形制作后測量每片板線寬，并按線寬將板進行分組，第二次蝕刻時每組分別制作首板，調整蝕刻線速（如圖3、表2、表3）。

以一批板為例對此方法進行說明：

（1）第一次蝕刻后按線寬分組：線寬中值控制140 μm，按照14點和9點分別計算均值，結果相近，表明測量結果有一定的代表性，能實現正確的分組；而取板中間兩排9點可減少取點數量，且涵蓋板內及板邊，也較接近整板均值；

表1 長度寬度制作能力（單位：μm）

圖3 板拼板及生產控制辦法

表2 第一次蝕刻后線寬測量分組辦法

表3 第一次蝕刻后線寬測量分組辦法

（2）第二次蝕刻分組及監控：要求首板控制均值100±3 Ω，根據首板8#結果（線寬144 μm，速度3.6 m/min，測試條電阻均值98.6 Ω）進行分組；批量板第1組（線寬接近首板8#，范圍142.5-145 μm）需適當減小蝕刻速度（3.55 m/min），提高阻值，其余按照約線寬每相差5 μm，速度相差0.1 m/min來選擇速度，結果第1、2、3組的板平均值均在（100±3 Ω）范圍內；但5#板的平均值為129.25 μm，離目標要求值140 μm最遠，折算蝕刻速度誤差性最大，結果表明，5#板選擇速度為3.8 m/min，得到的電阻值仍偏大，分析原因為線寬偏離目標值太遠，第二次圖形僅靠蝕刻速度的調整無法抵消線寬的偏差，故后續第一次蝕刻線寬盡可能控制向140 μm中值靠近，對于線寬平均值偏離中值超過±10 μm之外的板，應重新修正第二次圖形的曝光底片補償量。電阻監控方面，第二排7點的測試條電阻能反映整板的情況，可以通過測量計算這七個數據監控。

后續生產板需要第一次蝕刻時控制線寬（140±10）μm，每片測量指定位置9點線寬以實現正確的分檔，第二次蝕刻時按線寬均值5 μm分檔實現控制中值到位（見表4）。

在批量板的生產中使用此控制辦法，以其中3批板共90片為例說明制作情況：

（1）第一次蝕刻后線寬：總體均值140.7 μm，每片取中間兩排9點計算均值，按5 μm一組分為6組；

（2）第二次蝕刻：每組做1片首板，首板要求電阻均值100±3Ω，按照首板測試條電阻均值計算結果來調整整組板的蝕刻速度；批量板蝕刻后以5片/批的頻率抽檢監控，每片板測量第二排7個電阻計算均值，抽檢15片，電阻均值均在99～102 Ω之間。

（3）電阻測試結果：電阻測試合格率約95.3%，均值99.73Ω，過程中電阻均值公差按照±3%控制，最終成品測試結果按照客戶要求公差±15%計算，無論從單片板或者不同蝕刻檔次的電阻結果看均值都控制在100Ω±3Ω以內，分析成品電阻測量數據結果（見表5、圖4）。

結果看，批量板電阻測試結果滿足過程能力指數PPk=1.69，滿足生產要求。

3 結論

本文主要針對目前客戶電阻設計越來越小（最小達4 mil），對精度要求越來越高（±15%以內）的現狀，對埋阻精度的影響因素，包括材料本身的精度、需經過兩次圖形轉移分別制作寬度和長度等進行研究和分析，并從生產控制及能力提升的角度進行改善，將成果應用于實際生產。得出的主要結論如下：

（1）根據對埋阻影響因素的誤差傳遞及公差計算分析，對于小尺寸電阻的公差，各因素公差變大，因素間的影響也不可忽略，故相比大尺寸電阻會有很大的增加，且對于方阻數大于1的設計，實際生產及理論推斷均表明寬度是是關鍵的控制因素。

表4 1批板按線寬分組、蝕刻參數及測試條電阻測量

表5 批量板分組蝕刻制作情況

圖4 成品電阻結果分析

（2）對于長250 μm ×寬125 μm的小尺寸電阻，提出第二次蝕刻時按照線寬對板進行分組蝕刻的生產控制方法，減小兩次圖形蝕刻帶來的電阻偏差，可保證電阻中值控制到位，良率達到95%左右，PP長大于1.33。