【经验】两步法搞定ROGERS的RT/duroid®高频层压板的刻蚀后应力的释放

时间： 2019-03-19 来源：ROGERS

技术问答

RT/duroid®层压板是典型的聚四氟乙烯（PTFE）基的电路板材，通常要在高温下使Cu覆层与绝缘材料粘合，但是当Cu被刻蚀掉之后，板材就会产生一定程度的空间尺寸收缩。其原因分析如下：由于Cu与绝缘体的热膨胀系数（thermal coefficients of expansion，CTE‘s），在Cu覆层与绝缘材料粘合并冷却到室温后，Cu与绝缘材料的尺寸变化会不相同。绝缘材料有收缩的趋势，但是却受到Cu箔的限制而不能收缩。相似的，Cu有伸长的趋势，同样受到了绝缘材料的限制。

经过层压之后，绝缘材料中有一半的PTFE处于晶态，一半的PTFE处于非晶态。非晶相的PTFE同时具有一定的粘性和弹性。在外加应力的时候，弹性响应行为是：迅速发生形变；而粘性响应行为是：在一段时间内缓慢的发生形变，其形变量是一个与时间相关的量。

当有一部分Cu被刻蚀掉以形成电路后，与绝缘材料收缩应力相平衡的Cu变少了，材料体系内的应力分布不再平衡。这时，PTFE的晶态部分和非晶态部分的弹性响应行为会使得层压板迅速的产生收缩。而非晶PTFE部分的粘性响应行为会使得层压板的收缩有一个随时间变化的分量，其收缩行为会一直进行，直至内部应力重新平衡。通常情况下，这种随时间变化的收缩能够持续数天的时间。

对于一些层压板而言，绝缘材料在纵向（X）和横向（Y）上的热膨胀系数CTE‘s’并不相同。因此，在这两个方向上的收缩也不相同。在X和Y方向上的收缩取决于许多的条件，包括：Cu被刻蚀掉的数量，剩余Cu的分布及几何形状，绝缘材料与Cu的相对厚度，Cu的类型，绝缘材料的类型，材料层压之后的时间以及储存温度等。，

所有的这些复杂因素使得想要准确地预测刻蚀收缩量几乎是不可能的。对于大部分的电路而言，收缩量相对较小而可以忽略掉。但是对于要求密排的大型电路而言，所有的材料的位移量加起来会很大，从而产生不可忽视的影响。对于这类问题，通常采用的解决办法是“双步刻蚀法（double etching）”。这种方法两步的画图与刻蚀彼此之间相互独立，并且之间还有一步bake热处理。以加速残余收缩（residual shrinkage）的进程。这个处理过程可以在刻蚀出最终电路之前消除掉近九成的刻蚀收缩量，因此最终剩余的位移量通常不会超过百分之零点零几，几乎可以忽略不计。

双步刻蚀过程包含两套掩膜原图（artwork），一套是粗刻（rough）用，一套是终刻（final）用。粗刻用掩膜原图会暴露90%的待刻蚀Cu，通常是将最终状态的线长和线宽都变大10%-15%得到。在粗刻之后，暴露的Cu会被刻蚀掉，这个过程中会产生较大的位移，因此，所有的定位孔（tooling hole）和靶孔（target）都会发生偏移，无法用于之后的定位。所以需要在终刻之前添加新的定位孔和靶孔。

在终刻掩膜原图刻蚀之前，需要释放掉残余刻蚀收缩。从残余收缩量是时间的函数的角度看，只要时间足够长，残余应力就能够释放完全，但是通常而言这需要很多天的时间。在非晶态PTFE中，通常同时存在玻璃态（glass state）和橡胶态（rubbery state）。橡胶态中的应力释放速度远大于玻璃态。而玻璃态的转变温度在130℃（266℉）左右，因此如果将电路板加热到130℃（266℉）之上，就可以大大加快应力的释放。实验表明，在氮气净化炉内225℃加热2h之后，材料的收缩量会变得小至无法测量。在热处理过程中，氧气的存在会加剧电路中Cu的氧化，从而导致其剥离强度的下降。因此选择氮气来进行热量的循环可以防止Cu剥离强度的下降。热处理过程可以消除蚀刻收缩的60%，并且热处理过程的选择取决于材料的种类，如表1所示。在热处理过程中，电路板不能被外部载荷限制变形，这样才能释放残余收缩。此外，对于RT/duroid 5880和5870两种材料，在热处理之后还需要10个小时左右的稳定阶段，以充分释放最后残存的应力。要注意的是在这个过程之前需要移开粗刻的光掩膜。

热处理之后电路板的空间尺寸已经变得稳定了，很难再观测到明显的尺寸收缩了。表2展示了所有Cu刻蚀掉之后RT/duroid层压板的空间尺寸变化，对于一个特定的电路板，其总的尺寸形变与Cu的刻蚀量成正比。终刻掩膜原图可通过与粗刻掩膜原图以及定位孔的中心线对齐来实现对准。如果最终需要电镀表面的通孔，现在也可以钻孔，钠刻蚀然后所有表面化学镀。电镀的时候使用反向光眼膜（reverse photomask）来进行绘制电镀区域。将焊锡或者金电镀到裸露的Cu上之后，剩余没有电镀层的Cu就会被刻蚀掉，这样焊锡或者金就起到了相当于蚀刻掩膜的作用。

通过以上的两步刻蚀法加上热处理循环可以得到空间尺寸偏差非常小的定位要求很高的电路，从而能够得到RT/duroid 层压板的最优性能。

表1 消除应力的bake热处理

表2 RT/duroid层压板的典型尺寸变化

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