CN112685993A

CN112685993A - 一种柔性pcb板湿法化学蚀刻工艺仿真方法

Info

Publication number: CN112685993A
Application number: CN202110284155.2A
Authority: CN
Inventors: 李辉; 申胜男; 陈傲杰; 盛家正
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2041-03-17
Also published as: CN112685993B

Abstract

本发明公开了一种柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法，该方法重点介绍一种通过建立模型对蚀刻工艺中线体运行速度、喷淋压力与蚀刻液浓度进行仿真的方法。具体实施过程如下：使用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics构建出待加工铜基板的二维几何模型，并设定相应的仿真参数与边界条件，经仿真计算获取仿真结果，最后利用已知的生产数据进行实验验证仿真的可行性。本发明能够大幅降低以实验方式进行柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺研究的物质与时间成本，并且能够具有针对性地对实际生产过程中存在的问题进行分析。

Description

一种柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法

技术领域

本发明属于光电领域，涉及一种柔性PCB板制备技术，尤其涉及一种柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法。

背景技术

柔性PCB板是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的具有高度可靠性与可挠性的印刷电路板，简称FPC（Flexible Printed Circuit）。由于其具有配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好等特点，FPC被广泛应用于移动通讯、航空航天、军事等领域。柔性PCB板的生产工序一般为：工型冲孔、涂布、曝光、显影、蚀刻、退膜、化锡、自动光学监测、油墨印刷、分切、电路检测与最终清洗包装。其中蚀刻工序是在图形掩膜的保护下，采用湿法化学蚀刻的方法除去基材上不需要的铜，形成电路图的过程。作为FPC精细线路制造的关键工序之一，蚀刻工序过程决定了FPC成品线路的线宽、线距等关键参数，进而也对FPC产品的良品率有显著影响。

目前，在蚀刻工艺过程中，如何快速完成小批量、多品种产品生产的快速切换，并确定与产品批次相关的最优工艺参数，是目前困扰柔性PCB板生产的难题。在实际加工过程中，对蚀刻工艺的控制过多地依赖于经验，工艺参数调控难度大、成本高，例如更换不同线距、铜薄膜厚度的产品时，往往需要重新确定蚀刻线的蚀刻液浓度、线体运动速度、喷淋压力等参数，并且由于工艺机理较为复杂，无法对实际蚀刻加工中存在的问题提出针对性的优化设计方案。同时柔性PCB板的湿法化学蚀刻工艺复杂、实验成本较高、所需时间较长，依据大量的实验数据来对蚀刻工艺进行参数化分析具有一定现实困难的。

针对生产过程中存在的以上问题，本发明中提出一种柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法。其中利用的是在参考实际生产系统的基础上建立的一套系统性的工艺仿真方法，对于产线蚀刻过程进行真实建模模拟。仿真结果与验证实验对比显示，该方法具有良好有效性，对复杂FPC电路的工艺优化具有一定的指导意义。

发明内容

针对现有生产过程中蚀刻工艺参数化分析所存在的依赖于人工实验、成本高昂、耗时长、盲目性大等问题，本发明提出了一种用于柔性PCB板生产的蚀刻工艺仿真方法。该方法基于湿法化学蚀刻仿真，结合柔性PCB板蚀刻工艺过程几何建模，成功实现了对湿法化学蚀刻工艺的仿真，并进行了针对性的实例参数研究验证。

本发明提供了一种柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据产线数据建立蚀刻工艺过程二维几何模型；

S2，选择物理场模块并设定边界条件与仿真参数；

S3，利用仿真软件对二维几何模型进行网格划分并进行仿真计算，获得仿真结果；

S4，利用与仿真参数对应的已知生产数据所生产的柔性PCB板样品与仿真结果对比，验证仿真的可行性。

进一步地，所述步骤S1中具体包括采集现有的生产数据，然后根据实际生产过程数据建立柔性PCB板的二维几何模型。采集的生产数据主要包括工艺参数和几何参数，工艺参数包括线体运行速度v、喷淋压力p₁、蚀刻液浓度c等，几何参数包括刻蚀基板厚度、光刻胶厚度和线路线宽。

进一步地，所述二维几何模型包括刻蚀基板、光刻胶和流场域。

进一步地，所述流场域为T形蚀刻模型，由光刻胶层之间第一区域和光刻胶表面蚀刻液流动边界的第二区域组成，其中，第一区域的宽度和高度由线路线距和光刻胶厚度决定，流场域的底部被设定为移动边界，随着蚀刻液在流场域流动，在对流与扩散的作用下蚀刻液被运送到蚀刻边界表面，对刻蚀基板进行蚀刻，移动边界下移形成蚀刻腔（是指刻蚀基板被刻蚀后形成的腔体）。

进一步地，所述刻蚀基板为铜膜，蚀刻液为CuCl₂溶液。

进一步地，所述步骤S2中的物理场模块包含稀物质传递模块、流体流动模块与变形几何模块。

进一步地，所述稀物质传递模块的方程如下：

公式（1）

其中D表示扩散系数，c是蚀刻液的浓度，t为时间，u是蚀刻液的流动速度，

为梯度算子，通过结合初始边界条件求解该方程，可以得到蚀刻腔内蚀刻液的浓度分布。

所述流体流动模块采用的模型方程为：

公式（2）

公式（2）中，ρ为刻蚀液的流体密度，p为外界压强，μ为动力粘度，F为边界应力。

进一步地，所述变形几何模块采用边界移动方程描述，边界移动方程如下：

公式（3）

其中α是各向异性扩散系数，k是蚀刻反应的速率常数，n是向外指向边界的法向量，n_x是n在x轴方向上的分量，n_y是n在y轴方向上的分量，M是蚀刻基板材料的摩尔质量，

为蚀刻基板材料的密度，剩余边界则被设置为固定壁面。

进一步地，仿真参数具体包括线体运行速度（影响FPC在蚀刻设备内的蚀刻时间）、喷淋压力（影响FPC蚀刻腔的入射速度）与蚀刻液浓度。边界条件涉及流出边界、壁面条件和边界应力。将实际生产过程中的数据与参数导入二维几何模型。

更进一步地，所述步骤S3中化学蚀刻仿真计算包括在仿真软件中进行网格的划分、求解时间的设定以及研究状态的选择，之后运用仿真软件进行计算。

通过计算得到的仿真结果具体为蚀刻腔形状大小、垂直蚀刻深度以及侧蚀量。

进一步地，所述步骤S4中验证可行性具体包括将仿真结果如蚀刻深度、侧蚀量等与实际生产结果进行对比，若在误差范围内仿真结果与实际生产结果一致，则可以证明仿真的可行性与仿真参数设置的合理性。本发明的优点在于：

利用多物理场仿真软件对柔性PCB板的湿法化学蚀刻工艺过程进行仿真，可以对实际蚀刻工艺过程进行准确的模拟；通过改变模型内各种结构的参数而模拟不同结构特点的柔性PCB板，使得该方法具有推广应用的普遍性；本发明可以有针对性地处理蚀刻工艺中存在的问题，进行相应的优化设计，避免了目前工艺设计过程中存在的工艺机理不明确，设计盲目性大的问题。

本发明利用建立的柔性PCB板蚀刻工艺过程二维几何模型替代实验对工艺进行分析，可以迅速并且准确地获取改变工艺参数与生产条件对产品的蚀刻深度、侧蚀量、蚀刻因子等重要指标产生的影响；进一步为优化蚀刻工艺参数提供数据基础；本发明可以应用于蚀刻工艺动态管理领域解决实际生产过程中存在的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法的流程图。

图2为本发明实施例提供的柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法的数据交互与系统框架图。

图3为本发明实施例中建立的柔性PCB板蚀刻工艺过程二维几何模型图。

图4为本发明实施例中从四组样本与仿真结果中提取出来的蚀刻轮廓图，其中纵坐标Y为刻蚀深度，横坐标X为侧蚀量。

附图标号：1-蚀刻液入口；2-蚀刻液出口；3-蚀刻表面；4-光刻胶；5-铜膜；6-第一区域；7-第二区域。

具体实施方式

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

下面以铜膜作为刻蚀基板，以CuCl₂溶液作为蚀刻液为例进行说明。

如图1所示，本实施例提供的一种柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法，包括以下步骤：

S1，根据产线数据建立蚀刻工艺过程二维几何模型；

S2，选择物理场模块并设定边界条件与仿真参数；

所述步骤S1中，采集到的产线数据具体包括：线体运行速度（线体长度为8m，需换算成对应蚀刻时间）、喷淋压力（换算成蚀刻液入射速度，对于相同的喷淋头来说，喷淋压力和喷射速度具有一一对应的关系，具体换算方式为与喷淋头几何尺寸相关）、CuCl₂浓度等。建立柔性PCB板蚀刻工艺过程二维几何模型使用的仿真软件是COMSOL Multiphysics 5.5，得到的二维几何模型如图3所示，所述二维几何模型包括作为刻蚀基板的铜膜5、光刻胶4和流场域，所述流场域为选择相距8μm的光刻胶层之间的区域作为蚀刻目标并建立起了T形蚀刻模型，流场域由光刻胶层之间第一区域6和光刻胶表面蚀刻液流动边界的第二区域7组成，其中，第一区域6的宽度和高度由线路线距和光刻胶4的厚度决定，第二区域7为喷淋液在光刻胶表面的流动边界，第二区域7的顶部边界为蚀刻液入口1，两侧边界均为蚀刻液出口2，尺寸不是本发明研究对象。光刻胶层与铜膜的厚度则分别为2μm与8μm。高浓度的CuCl₂溶液以一定的初速度从入口进入流场，出口则设置在T形蚀刻模型顶部的第二区域两侧，T形蚀刻模型的第一区域底部被设定为移动边界（蚀刻表面3），其中T形蚀刻模型顶部的第二区域入口宽度为10μm，高度为2μm。当然，在其他优选实施例中还包括其他需要改变及仿真的几何模型特征。

所述步骤S2中，利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics对蚀刻过程进行有限元分析。在实际蚀刻过程中，柔性PCB板将通过卷对卷方式运输至喷淋蚀刻设备中，蚀刻液从喷淋嘴喷射至铜膜表面，并且通过对流与扩散运输至蚀刻表面3。蚀刻腔内蚀刻液的浓度分布与穿过蚀刻表面3的蚀刻液通量有关，利用移动边界对蚀刻腔形状变化进行追踪。使用稀物质传递模块研究蚀刻液的对流与扩散，使用流体流动模块研究蚀刻液的流场变化以及使用变形几何模块研究蚀刻腔的形状演变。在模拟过程中进行以下假设：

1由于蚀刻腔的大小是微米尺度的，故假定蚀刻液是不可压缩且稳定的层流。

2遵循线性动力学的蚀刻反应中只考虑蚀刻液中的一种蚀刻液产生的影响。

3在蚀刻液中加入了抑制剂，所以蚀刻过程具有各向异性。

设置的仿真参数具体包括蚀刻时间、蚀刻液入射速度、CuCl₂浓度与环境温度等。设置的边界条件具体包括入口速度的边界条件设置为v₀m/s，出口速度的边界条件被设置为压力边界，压力设置为0Pa，所述稀物质传递模块研究扩散与对流提供的蚀刻液的质量通量，由如下方程给出：

公式（1）

其中D表示扩散系数，c是CuCl₂的浓度值，t为时间，u是蚀刻液的流动速度，

所述流体流动模块采用的模型方程为：

公式（2）

公式（2）中，ρ为刻蚀液的流体密度，p为外界压强，I为单位向量，μ为动力粘度，F为边界应力。

所述变形几何模块采用边界移动方程描述，描述边界移动的方程为

公式（3）

其中α是各向异性扩散系数，k是蚀刻反应的速率常数。n是向外指向边界的法向量，n _x是n在x轴方向上的分量，n_y是n在y轴方向上的分量。M与

分别是蚀刻基板材料的摩尔质量与密度，本发明实施例中蚀刻基板材料为铜膜，因此分别表示铜的摩尔质量与密度。其他边界则被设置为固定壁面。

入口处CuCl₂溶液浓度的边界条件被设定为c ₀mol/L，蚀刻表面3的通量条件满足的方程如下，其他边界则被设置为无通量条件。

公式（4）

所述步骤S3中网格设置为由物理场自行控制网格的划分，因为蚀刻腔会随着蚀刻时间的变化而变化，所以为了保证仿真的精确性，当部分网格的质量低于阈值时，将重新划分网格，以确保计算过程中的网格质量。获得的仿真结果主要是蚀刻轮廓，对其进行分析后可以获取蚀刻深度、侧蚀量与蚀刻因子。

本发明将已知的工艺数据的工艺参数对应的仿真参数输入COMSOL中，其中线体运行速度对应仿真过程中的蚀刻时间，喷淋压力对应蚀刻液入射速度。完成参数输入后进行仿真计算，将仿真结果如蚀刻深度、侧蚀量等与实际生产结果进行对比，若在误差范围内仿真结果与实际生产结果一致，则可以证明仿真的可行性与仿真参数设置的合理性。

具体的，选择在与仿真参数相同条件下设置生产工艺参数进行柔性PCB板生产并作为实验样本，分别记为样本1、样本2、样本3和样本4。相关仿真参数设置为：入射速度

₀= 4m/s，蚀刻时间为120s（线体运行速度为4m/min），蚀刻液浓度c₀=0.45mol/L,铜的摩尔质量为63.55g/mol，铜的密度为8960kg/m³，扩散系数为7.27×10^-5m/s，反应速率常数为2.089× 10^-5m/s，各向异性扩散系数为0.2。提取产线实际生产的四个柔性PCB板样品中蚀刻腔的二维轮廓并将其与仿真结果中的蚀刻腔轮廓进行对比，实际生产结果与仿真结果的蚀刻腔轮廓如图4所示。通过对比可以发现仿真结果与四组样本的提取结果具有高度相似性，尤其在垂直方向上的蚀刻深度。因此可以说明该蚀刻工艺仿真方法的可行性与仿真参数设置的合理性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、根据产线数据建立蚀刻工艺过程的二维几何模型；

步骤S2、选择物理场模块并设定边界条件与仿真参数；

步骤S3、利用仿真软件对二维几何模型进行网格划分并进行仿真计算，获得仿真结果；

步骤S4、利用与仿真参数对应的已知生产数据所生产的柔性PCB板样品与仿真结果对比，验证仿真的可行性。

2.如权利要求1所述的柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法，其特征在于：步骤S1中，所述产线数据包括工艺参数和几何参数，工艺参数包括喷淋压力p₁、蚀刻液浓度c与线体速度v，几何参数包括刻蚀基板厚度、光刻胶厚度和线路线宽。

3.如权利要求2所述的柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法，其特征在于：步骤S1中，所述二维几何模型包括刻蚀基板、光刻胶和流场域。

4.如权利要求3所述的柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法，其特征在于：所述流场域为T形蚀刻模型，由光刻胶层之间第一区域和光刻胶表面蚀刻液流动边界的第二区域组成，其中，第一区域的宽度和高度由线路线距和光刻胶厚度决定，流场域的底部被设定为移动边界，随着蚀刻液在流场域流动，在对流与扩散的作用下蚀刻液被运送到蚀刻边界表面，对刻蚀基板进行蚀刻，移动边界下移形成蚀刻腔。

5.如权利要求3所述的柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法，其特征在于：步骤S2中，所述物理场模块包括稀物质传递模块、流体流动模块与变形几何模块。

6.如权利要求5所述的柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法，其特征在于：步骤S2中，所述稀物质传递模块的方程如下：

公式（1）

为梯度算子，通过结合初始边界条件求解该方程，能够得到蚀刻腔内蚀刻液的浓度分布。

7.如权利要求6所述的柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法，其特征在于：步骤S2中，所述流体流动模块采用的模型方程为：

公式（2）

8.如权利要求7所述的柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法，其特征在于：步骤S2中，所述变形几何模块采用边界移动方程描述，边界移动方程如下：

公式（3）

其中α是各向异性扩散系数，k是蚀刻反应的速率常数，n是向外指向边界的法向量，n_x是 n在x轴方向上的分量，n_y是n在y轴方向上的分量，M是蚀刻基板材料的摩尔质量，

为蚀刻基板材料的密度，剩余边界则被设置为固定壁面。

9.如权利要求7所述的柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法，其特征在于：所述仿真参数包括蚀刻时间、蚀刻液入射速度和蚀刻液浓度。

10.如权利要求1所述的柔性PCB板湿法化学蚀刻工艺仿真方法，其特征在于：步骤S3的仿真模型建立过程中，设定网格质量阈值，当网格质量低于阈值时，通过仿真软件自动重新划分网格。