PCB外層電路的蝕刻工藝

  在印制電路加工中﹐氨性蝕刻是一個(gè)較為精細(xì)和覆雜的化學(xué)反應(yīng)過程,卻又是一項(xiàng)易于進(jìn)行的工作。只要工藝上達(dá)至調(diào)通﹐就可以進(jìn)行連續(xù)性的生產(chǎn), 但關(guān)鍵是開機(jī)以后就必需保持連續(xù)的工作狀態(tài)﹐不適宜斷斷續(xù)續(xù)地生產(chǎn)。蝕刻工藝對(duì)設(shè)備狀態(tài)的依賴性極大,故必需時(shí)刻使設(shè)備保持在良好的狀態(tài)。

  目前﹐無論使用何種蝕刻液﹐都必須使用高壓噴淋﹐而為了獲得較整齊的側(cè)邊線條和高質(zhì)量的蝕刻效果﹐對(duì)噴嘴的結(jié)構(gòu)和噴淋方式的選擇都必須更為嚴(yán)格。

  對(duì)于優(yōu)良側(cè)面效果的制造方式﹐外界均有不同的理論、設(shè)計(jì)方式和設(shè)備結(jié)構(gòu)的研究,而這些理論卻往往是人相徑庭的。但是有一條最基本的原則已被公認(rèn)并經(jīng)化學(xué)機(jī)理分析證實(shí)﹐就是盡速讓金屬表面不斷地接觸新鮮的蝕刻液。

  在氨性蝕刻中﹐假定所有參數(shù)不變﹐那么蝕刻的速率將主要由蝕刻液中的氨(NH3)來決定。因此, 使用新鮮溶液與蝕刻表面相互作用﹐其主要目的有兩個(gè)﹕沖掉剛產(chǎn)生的銅離子及不斷為進(jìn)行反應(yīng)供應(yīng)所需要的氨(NH3)。

  在印制電路工業(yè)的傳統(tǒng)知識(shí)里﹐特別是線路板原料的供貨商們皆認(rèn)同﹐并得經(jīng)驗(yàn)證實(shí)﹐氨性蝕刻液中的一價(jià)銅離子含量越低﹐反應(yīng)速度就越快。

  事實(shí)上﹐許多的氨性蝕刻液產(chǎn)品都含有價(jià)銅離子的特殊配位基(一些復(fù)雜的溶劑)﹐其作用是降低一價(jià)銅離子(產(chǎn)品具有高反應(yīng)能力的技術(shù)秘訣)﹐可見一價(jià)銅離子的影響是不小的。

  將一價(jià)銅由5000ppm降至50ppm,蝕刻速率即提高一倍以上。

  由于在蝕刻反應(yīng)的過程中會(huì)生成大量的一價(jià)銅離子,而一價(jià)銅離子又總是與氨的絡(luò)合基緊緊的結(jié)合在一起﹐所以要保持其含量近于零是十分困難的。

  而采用噴淋的方式卻可以達(dá)到通過大氣中氧的作用將一價(jià)銅轉(zhuǎn)換成二價(jià)銅,并去除一價(jià)銅,這就是需要將空氣通入蝕刻箱的一個(gè)功能性的原因。但是如果空氣太多﹐又會(huì)加速溶液中的氨的損失而使PH值下降﹐使蝕刻速率降低。氨在溶液中的變化量也是需要加以控制的,有一些用戶采用將純氨通入蝕刻儲(chǔ)液槽的做法,但這樣做必須加一套PH計(jì)控制系統(tǒng),當(dāng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的PH結(jié)果低于默認(rèn)值時(shí)﹐便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行溶液添加。

  在相關(guān)的化學(xué)蝕刻(亦稱之為光化學(xué)蝕刻或PCH)領(lǐng)域中﹐研究工作已經(jīng)開始﹐并達(dá)至蝕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段。此方法所使用的溶液為二價(jià)銅,不是氨-銅蝕刻, 它將有可能被用在印制電路工業(yè)中。在PCH工業(yè)中,蝕刻銅箔的典型厚度為5到10密耳(mils),有些情況下厚度卻相當(dāng)大。它對(duì)蝕刻參數(shù)的要求經(jīng)常比PCB工業(yè)更為苛刻。有一項(xiàng)來自PCM工業(yè)系統(tǒng)但尚未正式發(fā)表的研究成果﹐相信其結(jié)果將會(huì)令人耳目一新。

  由于有雄厚的項(xiàng)目基金支持﹐因此研究人員有能力從長(zhǎng)遠(yuǎn)意議上對(duì)蝕刻裝置的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行改變﹐同時(shí)研究這些改變所產(chǎn)生的效果。

  比如說﹐與錐形噴嘴相比﹐采用扇形噴嘴的設(shè)計(jì)效果更佳﹐而且噴淋集流腔(即噴嘴擰進(jìn)去的那一段管)也有一個(gè)安裝角度﹐對(duì)進(jìn)入蝕刻艙中的工件呈30度噴射﹐若不進(jìn)行這樣的改變, 集流腔上噴嘴的安裝方式將會(huì)導(dǎo)致每個(gè)相領(lǐng)噴嘴的噴射角度都不一致。第二組噴嘴各自的噴淋面與第一組相對(duì)應(yīng)的皆略有不同(它表示了噴淋的工作情況),使噴射出的溶液形狀成為迭加或交叉的狀態(tài)。

  理論上﹐如果溶液形狀相互交叉,該部分的噴射力就會(huì)降低而不能有效地將蝕刻表面上的舊溶液沖掉使新溶液與其接觸。

  在噴淋面的邊緣處,這種情況尤為突出,其噴射力比垂直噴射要小得多。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)﹐最新的設(shè)計(jì)參數(shù)是65磅/平方英寸(即4+Bar)。

  每個(gè)蝕刻過程和每種實(shí)用的溶液都有一個(gè)最佳的噴射壓力的問題﹐就目前而言﹐蝕刻艙內(nèi)噴射壓力在30磅/平方英(2Bar)以上的情況微乎其微。

  但有一個(gè)原則﹐一種蝕刻溶液的密度(即比重或玻美度)越高﹐最佳的噴射壓力也應(yīng)越高。當(dāng)然,這并非單一的參數(shù),另一個(gè)重要的參數(shù)是在溶液中控制其反應(yīng)率的相對(duì)淌度(或遷移率)。

  關(guān)于蝕刻狀態(tài)不相同的問題

  大量涉及蝕刻面的質(zhì)量問題都集中在上板面被蝕刻的部分,而這些問題來自于蝕刻劑所產(chǎn)生的膠狀板結(jié)物的影響。對(duì)這一點(diǎn)的了解是十分重要的, 因膠狀板結(jié)物堆積在銅表面上。一方面會(huì)影響噴射力，另一方面會(huì)阻檔了新鮮蝕刻液的補(bǔ)充，使蝕刻的速度被降低。正因膠狀板結(jié)物的形成和堆積, 使得基板上下面的圖形的蝕刻程度不同，先進(jìn)入的基板因堆積尚未形成，蝕刻速度較快， 故容易被徹底地蝕刻或造成過腐蝕，而后進(jìn)入的基板因堆積已形成，而減慢了蝕刻的速度。

  蝕刻設(shè)備的維護(hù)

  維護(hù)蝕刻設(shè)備的最關(guān)鍵因素就是要保證噴嘴的高清潔度及無阻塞物,使噴嘴能暢順地噴射。阻塞物或結(jié)渣會(huì)使噴射時(shí)產(chǎn)生壓力作用, 沖擊板面。而噴嘴不清潔，則會(huì)造成蝕刻不均勻而使整塊電路板報(bào)廢。

  明顯地，設(shè)備的維護(hù)就是更換破損件和磨損件，因噴嘴同樣存在著磨損的問題, 所以更換時(shí)應(yīng)包括噴嘴。此外，更為關(guān)鍵的問題是要保持蝕刻機(jī)沒有結(jié)渣﹐因很多時(shí)結(jié)渣堆積過多會(huì)對(duì)蝕刻液的化學(xué)平衡產(chǎn)生影響。同樣地，如果蝕刻液出現(xiàn)化學(xué)不平衡，結(jié)渣的情況就會(huì)愈加嚴(yán)重。蝕刻液突然出現(xiàn)大量結(jié)渣時(shí)，通常是一個(gè)信號(hào)，表示溶液的平衡出現(xiàn)了問題, 這時(shí)應(yīng)使用較強(qiáng)的鹽酸作適當(dāng)?shù)那鍧嵒驅(qū)θ芤哼M(jìn)行補(bǔ)加。

  另外,殘膜也會(huì)產(chǎn)生結(jié)渣物。極少量的殘膜溶于蝕刻液中﹐形成銅鹽沈淀。這表示前道去膜工序做得不徹底,去膜不良往往是邊緣膜與過電鍍共同造成的結(jié)果。

  蝕刻過程中應(yīng)注意的問題

  減少側(cè)蝕和突沿﹐提高蝕刻系數(shù)

  側(cè)蝕會(huì)產(chǎn)生突沿。通常印制板在蝕刻液中的時(shí)間越長(zhǎng),側(cè)蝕的情況越嚴(yán)重。側(cè)蝕將嚴(yán)重影響印制導(dǎo)線的精度，嚴(yán)重的側(cè)蝕將不可能制作精細(xì)導(dǎo)線。當(dāng)側(cè)蝕和突沿降低時(shí)，蝕刻系數(shù)就會(huì)升高，高蝕刻系數(shù)表示有保持細(xì)導(dǎo)線的能力，使蝕刻后的導(dǎo)線能接近原圖尺寸。無論是錫-鉛合金，錫﹐錫-鎳合金或鎳的電鍍蝕刻劑, 突沿過度時(shí)都會(huì)造成導(dǎo)線短路。因?yàn)橥谎厝菀姿毫严聛?，在?dǎo)線的兩點(diǎn)之間形成電的拆接。

  影響側(cè)蝕的因素有很多﹐下面將概述幾點(diǎn)﹕

  蝕刻方式﹕

  浸泡和鼓泡式蝕刻會(huì)造成較大的側(cè)蝕﹐潑濺和噴淋式蝕刻的側(cè)蝕較小﹐尤以噴淋蝕刻的效果最好。

  蝕刻液的種類﹕

  不同的蝕刻液,其化學(xué)組分不相同﹐蝕刻速率就不一樣﹐蝕刻系數(shù)也不一樣。

  例如﹕酸性氯化銅蝕刻液的蝕刻系數(shù)通常為3﹐而堿性氯化銅蝕刻系數(shù)可達(dá)到4。

  蝕刻速率：

  蝕刻速率慢會(huì)造成嚴(yán)重側(cè)蝕。提高蝕刻質(zhì)量與加快蝕刻速率有很大的關(guān)系,蝕刻速度越快,基板在蝕刻中停留的時(shí)間越短﹐側(cè)蝕量將越小﹐蝕刻出的圖形會(huì)更清晰整齊。

  蝕刻液的PH值：

  堿性蝕刻液的PH值較高時(shí)﹐側(cè)蝕會(huì)增大。為了減少側(cè)蝕﹐PH值一般應(yīng)控制在8.5以下。

  蝕刻液的密度：

  堿性蝕刻液的密度太低會(huì)加重側(cè)蝕﹐選用高銅濃度的蝕刻液對(duì)減少側(cè)蝕非常有利。

  銅箔厚度：

  要達(dá)到最小側(cè)蝕的細(xì)導(dǎo)線的蝕刻﹐最好采用(超)薄銅箔。而且線寬越細(xì)﹐銅箔厚度應(yīng)越薄。因?yàn)?銅箔越薄在蝕刻液中的時(shí)間會(huì)越短﹐側(cè)蝕量就越小。

  提高基板與基板之間蝕刻速率的一致性

  在連續(xù)的板蝕刻中，蝕刻速率的一致性越高，越能獲得蝕刻均勻的板。要達(dá)到這一個(gè)要求，必須保證蝕刻液在蝕刻的整個(gè)過程始終保持在最佳的蝕刻狀態(tài)。這就要選擇容易再生和補(bǔ)償, 而蝕刻速率又容易控制的蝕刻液,并選用能提供恒定的操作條件和能自動(dòng)控制各種溶液參數(shù)的工藝和設(shè)備, 通過控制溶銅量、PH值、溶液的濃度、溫度及溶液流量的均勻性(噴淋系統(tǒng)或噴嘴,以至噴嘴的擺動(dòng))等來實(shí)現(xiàn)蝕刻速率的一致性。

  提高基板表面的蝕刻速率的均勻性

  基板的上下兩面以及板面上各部位的蝕刻的均勻性,皆決定于板表面受到蝕刻劑流量的均勻性所影響。

  在蝕刻的過程中﹐上下板面的蝕刻速率往往并不一致。一般來說﹐下板面的蝕刻速率會(huì)高于上板面。因?yàn)樯习迕嬗腥芤旱亩逊e﹐減弱了蝕刻反應(yīng)的進(jìn)行, 但可以通過調(diào)整上下噴嘴的噴淋壓力來解決上下板面蝕刻不均的現(xiàn)象。

  蝕刻工藝的一個(gè)普遍問題是在相同的時(shí)間里使全部板面都蝕刻干凈是很難做到的。因基板的邊緣位置比中心部位蝕刻得更快, 故很難做到同時(shí)使全部蝕刻都干凈。而采用噴淋系統(tǒng)并使噴嘴擺動(dòng)噴射是一個(gè)有效的解決措施。要更進(jìn)一步地改善,可以透過對(duì)板中心和邊緣處不同的噴淋壓力,以及對(duì)板前沿和板后端采用間歇蝕刻的方法﹐達(dá)到整個(gè)板面的蝕刻均勻性。

  提高安全處理和蝕刻薄銅箔及薄層壓板的能力

  在蝕刻薄層板時(shí)(如:多層板的內(nèi)層板),基板容易卷繞在滾輪和傳送輪上而造成廢品,所以蝕刻內(nèi)層板的設(shè)備必須要保證能平穩(wěn)地及可靠地處理薄的層壓板?，F(xiàn)時(shí), 許多設(shè)備制造商在蝕刻機(jī)內(nèi)附加齒輪或滾輪來防止卷繞的情況,但更好的方法卻是附加左右搖擺的四氟乙烯涂包線作為薄層壓板傳送時(shí)的支撐物。

  對(duì)于薄銅箔(例如1/2或1/4盎司)的蝕刻,必須保證銅面不被擦傷或劃傷。有時(shí)較劇烈的振顫都有可能損傷銅箔。

  減少污染的問題

  銅對(duì)水的污染是印制電路生產(chǎn)中普遍存在的問題﹐而氨堿蝕刻液的使用更加重了這個(gè)問題。因?yàn)殂~與氨絡(luò)合﹐不容易用離子交換法或堿沈淀法除去。所以﹐采用無銅的添加液來漂洗板子(第二次噴淋操作的方法)﹐可大大地減少銅的排出量。然后﹐再用空氣刀在水漂洗之前將板面上多余的溶液去除﹐從而減輕了水對(duì)銅的蝕刻的鹽類的漂洗負(fù)擔(dān)。

  在自動(dòng)蝕刻系統(tǒng)中, 銅濃度是以比重來控制的。在電路板的蝕刻過程中﹐隨著銅不斷地被溶解﹐當(dāng)溶解的比重不斷升高至超過一定的數(shù)值時(shí)﹐系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)補(bǔ)加氯化銨和氨的水溶液﹐使比重調(diào)整回合適的范圍。一般的比重應(yīng)控制在18~240Be。

  溶液PH值的影響

  蝕刻液的PH值應(yīng)保持在8.0~8.8之間。若PH值下降到8.0以下時(shí),將會(huì)對(duì)金屬抗蝕層不利。

  另一方面﹐蝕刻液中的銅不能被完全絡(luò)合成銅氨絡(luò)離子﹐使溶液在槽底形成泥狀沈淀, 而這些沈淀物能在加熱器上結(jié)成硬皮﹐可能會(huì)損壞加熱器﹐還會(huì)使泵和噴嘴受到堵塞﹐給蝕刻造成困難。如果溶液PH值過高﹐蝕刻液中的氨過飽和﹐游離氨便會(huì)釋放到大氣之中﹐導(dǎo)致環(huán)境污染。再說﹐溶液的PH值增大也會(huì)增大側(cè)蝕的程度﹐繼而影響蝕刻的精度。

  氯化銨含量的影響

  通過蝕刻再生的化學(xué)反應(yīng)可以看出﹕﹝Cu(NH3)2﹞1+的再生需要有過量的NH3和NH4CL存在。如果溶液中缺乏NH4CL,而使大量的﹝Cu(NH3)2﹞1+得不到再生﹐蝕刻速率就會(huì)降低﹐以至失去蝕刻能力。所以﹐氯化銨的含量對(duì)蝕刻速率影響很大。隨著蝕刻的進(jìn)行﹐要不斷補(bǔ)加氯化銨。但是﹐溶液中CL含量過高會(huì)引起抗蝕層被浸蝕。一般蝕刻液中NH4CL含量應(yīng)在150g/L左右。

  溫度的影響

  蝕刻速率與溫度有著很大的關(guān)系, 蝕刻速率會(huì)隨著溫度升高而加快﹐蝕刻液溫度低于40℃﹐蝕刻速率會(huì)很慢﹐而蝕刻速率過慢則會(huì)增大側(cè)蝕量﹐影響蝕刻質(zhì)量。

  當(dāng)溫度高于60℃﹐蝕刻速率會(huì)明顯地增大,但NH3的揮發(fā)量也大大地增加﹐導(dǎo)致環(huán)境污染并使蝕刻液中化學(xué)組份比例失調(diào)。故一般應(yīng)控制在45℃~55℃為宜。

  蝕刻液的調(diào)整

  自動(dòng)控制調(diào)整

  隨著蝕刻的進(jìn)行, 蝕刻液中銅的含量不斷增加﹐比重亦逐漸升高。當(dāng)蝕刻液中銅濃度達(dá)到一定的高度時(shí)就要及時(shí)調(diào)整。在自動(dòng)控制補(bǔ)加裝置中﹐是利用比重控制器來控制蝕刻液的比重。當(dāng)比重升高時(shí)﹐會(huì)自動(dòng)排放出溶液﹐并添加新的補(bǔ)加液﹐使蝕刻液的比重調(diào)整到允許的范圍。補(bǔ)加液要事先配制好并放入補(bǔ)加桶內(nèi)﹐使補(bǔ)加桶的液面保持在一定的高度。

  蝕刻過程中常見的問題

  蝕刻速率降低

  蝕刻速率降低與許多因素有關(guān),故需要檢查蝕刻條件(例如﹕溫度、噴淋壓力、溶液比重、PH值和氯化銨的含量等)﹐使其達(dá)到適宜的范圍。

  蝕刻溶液中出現(xiàn)沈淀

  是由于氨的含量過低(PH值降低)﹐或水稀釋溶液等原因造成的(例如:冷卻系統(tǒng)漏水等)。溶液比重過高也會(huì)造成沈淀。

  抗蝕鍍層被浸蝕

  是由于蝕刻液PH值過低或CL含量過高所造成的。

  銅的表面發(fā)黑,蝕刻不動(dòng)。

  蝕刻液中NH4CL的含量過低所造成的。

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