PCB外層電路的蝕刻工藝

      在印制電路加工中﹐氨性蝕刻是一個較為精細和覆雜的化學反應過程,卻又是一項易于進行的工作。只要工藝上達至調通﹐就可以進行連續性的生產, 但關鍵是開機以后就必需保持連續的工作狀態﹐不適宜斷斷續續地生產。蝕刻工藝對設備狀態的依賴性極大,故必需時刻使設備保持在良好的狀態。 

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邊線條和高質量的蝕刻效果﹐對噴嘴的結構和噴淋方式的選擇都必須更為嚴格。 
    對于優良側面效果的制造方式﹐外界均有不同的理論、設計方式和設備結構的研究,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并經化學機理分析證實﹐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﹕沖掉剛產生的銅離子及不斷為進行反應供應所需要的氨(NH3)。 
    在印制電路工業的傳統知識里﹐特別是印制電路原料的供貨商們皆認同﹐并得經驗證實﹐氨性蝕刻液中的一價銅離子含量越低﹐反應速度就越快。 
    事實上﹐許多的氨性蝕刻液產品都含有價銅離子的特殊配位基(一些復雜的溶劑)﹐其作用是降低一價銅離子(產品具有高反應能力的技術秘訣)﹐可見一價銅離子的影響是不小的。 
    將一價銅由5000ppm降至50ppm,蝕刻速率即提高一倍以上。 
    由于在蝕刻反應的過程中會生成大量的一價銅離子,而一價銅離子又總是與氨的絡合基緊緊的結合在一起﹐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到通過大氣中氧的作用將一價銅轉換成二價銅,并去除一價銅,這就是需要將空氣通入蝕刻箱的一個功能性的原因。但是如果空氣太多﹐又會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液槽的做法,但這樣做必須加一套PH計控制系統,當自動監測的PH結果低于默認值時﹐便會自動進行溶液添加。 
    在相關的化學蝕刻(亦稱之為光化學蝕刻或PCH)領域中﹐研究工作已經開始﹐并達至蝕刻機結構設計的階段。此方法所使用的溶液為二價銅,不是氨-銅蝕刻, 它將有可能被用在印制電路工業中。在PCH工業中,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大。它對蝕刻參數的要求經常比PCB工業更為苛刻。有一項來自PCM工業系統但尚未正式發表的研究成果﹐相信其結果將會令人耳目一新。

 由于有雄厚的項目基金支持﹐因此研究人員有能力從長遠意議上對蝕刻裝置的設計思想進行改變﹐同時研究這些改變所產生的效果。 

 比如說﹐與錐形噴嘴相比﹐采用扇形噴嘴的設計效果更佳﹐而且噴淋集流腔(即噴嘴擰進去的那一段管)也有一個安裝角度﹐對進入蝕刻艙中的工件呈30度噴射﹐若不進行這樣的改變, 集流腔上噴嘴的安裝方式將會導致每個相領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應的皆略有不同(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。 

 理論上﹐如果溶液形狀相互交叉,該部分的噴射力就會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。這項研究發現﹐最新的設計參數是65磅/平方英寸(即4+Bar)。 

    每個蝕刻過程和每種實用的溶液都有一個最佳的噴射壓力的問題﹐就目前而言﹐蝕刻艙內噴射壓力在30磅/平方英(2Bar)以上的情況微乎其微。 
    但有一個原則﹐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越高。當然,這并非單一的參數,另一個重要的參數是在溶液中控制其反應率的相對淌度(或遷移率)。 

   1）關于蝕刻狀態不相同的問題 
    大量涉及蝕刻面的質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生的膠狀板結物的影響。對這一點的了解是十分重要的, 因膠狀板結物堆積在銅表面上。一方面會影響噴射力，另一方面會阻檔了新鮮蝕刻液的補充，使蝕刻的速度被降低。正因膠狀板結物的形成和堆積, 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，而后進入的基板因堆積已形成，而減慢了蝕刻的速度。 

    2）蝕刻設備的維護 
    維護蝕刻設備的最關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。阻塞物或結渣會使噴射時產生壓力作用, 沖擊板面。而噴嘴不清潔，則會造成蝕刻不均勻而使整塊電路板報廢。 
    明顯地，設備的維護就是更換破損件和磨損件，因噴嘴同樣存在著磨損的問題, 所以更換時應包括噴嘴。此外，更為關鍵的問題是要保持蝕刻機沒有結渣﹐因很多時結渣堆積過多會對蝕刻液的化學平衡產生影響。同樣地，如果蝕刻液出現化學不平衡，結渣的情況就會愈加嚴重。蝕刻液突然出現大量結渣時，通常是一個信號，表示溶液的平衡出現了問題, 這時應使用較強的鹽酸作適當的清潔或對溶液進行補加。 
    另外,殘膜也會產生結渣物。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果。 

    3）蝕刻過程中應注意的問題 
    減少側蝕和突沿﹐提高蝕刻系數 
    側蝕會產生突沿。通常印制板在蝕刻液中的時間越長,側蝕的情況越嚴重。側蝕將嚴重影響印制導線的精度，嚴重的側蝕將不可能制作精細導線。當側蝕和突沿降低時，蝕刻系數就會升高，高蝕刻系數表示有保持細導線的能力，使蝕刻后的導線能接近原圖尺寸。無論是錫-鉛合金，錫﹐錫-鎳合金或鎳的電鍍蝕刻劑, 突沿過度時都會造成導線短路。因為突沿容易撕裂下來，在導線的兩點之間形成電的拆接。 

    4）影響側蝕的因素有很多﹐下面將概述幾點﹕ 

    1·蝕刻方式﹕ 
    浸泡和鼓泡式蝕刻會造成較大的側蝕﹐潑濺和噴淋式蝕刻的側蝕較小﹐尤以噴淋蝕刻的效果最好。 

    2·蝕刻液的種類﹕ 
    不同的蝕刻液,其化學組分不相同﹐蝕刻速率就不一樣﹐蝕刻系數也不一樣。 
    例如﹕酸性氯化銅蝕刻液的蝕刻系數通常為3﹐而堿性氯化銅蝕刻系數可達到4。 

    3·蝕刻速率： 
    蝕刻速率慢會造成嚴重側蝕。提高蝕刻質量與加快蝕刻速率有很大的關系,蝕刻速度越快,基板在蝕刻中停留的時間越短﹐側蝕量將越小﹐蝕刻出的圖形會更清晰整齊。 

    4·蝕刻液的PH值： 
    堿性蝕刻液的PH值較高時﹐側蝕會增大。為了減少側蝕﹐PH值一般應控制在8.5以下。 
    蝕刻液的密度： 
    堿性蝕刻液的密度太低會加重側蝕﹐選用高銅濃度的蝕刻液對減少側蝕非常有利。

 
    5）銅箔厚度： 
    要達到最小側蝕的細導線的蝕刻﹐最好采用(超)薄銅箔。而且線寬越細﹐銅箔厚度應越薄。因為,銅箔越薄在蝕刻液中的時間會越短﹐側蝕量就越小。 
    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。要達到這一個要求，必須保證蝕刻液在蝕刻的整個過程始終保持在最佳的蝕刻狀態。這就要選擇容易再生和補償, 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控制各種溶液參數的工藝和設備, 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(噴淋系統或噴嘴,以至噴嘴的擺動)等來實現蝕刻速率的一致性。 
    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高于上板面。因為上板面有溶液的堆積﹐減弱了蝕刻反應的進行, 但可以通過調整上下噴嘴的噴淋壓力來解決上下板面蝕刻不均的現象。 
    蝕刻工藝的一個普遍問題是在相同的時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, 故很難做到同時使全部蝕刻都干凈。而采用噴淋系統并使噴嘴擺動噴射是一個有效的解決措施。要更進一步地改善,可以透過對板中心和邊緣處不同的噴淋壓力,以及對板前沿和板后端采用間歇蝕刻的方法﹐達到整個板面的蝕刻均勻性。 
    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(如:多層板的內層板),基板容易卷繞在滾輪和傳送輪上而造成廢品,所以蝕刻內層板的設備必須要保證能平穩地及可靠地處理薄的層壓板?，F時, 許多設備制造商在蝕刻機內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的支撐物。 
    對于薄銅箔(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。有時較劇烈的振顫都有可能損傷銅箔。 

    6）減少污染的問題 
    銅對水的污染是印制電路生產中普遍存在的問題﹐而氨堿蝕刻液的使用更加重了這個問題。因為銅與氨絡合﹐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﹐從而減輕了水對銅的蝕刻的鹽類的漂洗負擔。 
    在自動蝕刻系統中, 銅濃度是以比重來控制的。在印制板的蝕刻過程中﹐隨著銅不斷地被溶解﹐當溶解的比重不斷升高至超過一定的數值時﹐系統便會自動補加氯化銨和氨的水溶液﹐使比重調整回合適的范圍。一般的比重應控制在18~240Be。 
    溶液PH值的影響 
    蝕刻液的PH值應保持在8.0~8.8之間。若PH值下降到8.0以下時,將會對金屬抗蝕層不利。 
    另一方面﹐蝕刻液中的銅不能被完全絡合成銅氨絡離子﹐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成硬皮﹐可能會損壞加熱器﹐還會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﹐游離氨便會釋放到大氣之中﹐導致環境污染。再說﹐溶液的PH值增大也會增大側蝕的程度﹐繼而影響蝕刻的精度。 

    7）氯化銨含量的影響 
    通過蝕刻再生的化學反應可以看出﹕﹝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﹐蝕刻速率就會降低﹐以至失去蝕刻能力。所以﹐氯化銨的含量對蝕刻速率影響很大。隨著蝕刻的進行﹐要不斷補加氯化銨。但是﹐溶液中CL含量過高會引起抗蝕層被浸蝕。一般蝕刻液中NH4CL含量應在150g/L左右。 

    8）溫度的影響 
    蝕刻速率與溫度有著很大的關系, 蝕刻速率會隨著溫度升高而加快﹐蝕刻液溫度低于40℃﹐蝕刻速率會很慢﹐而蝕刻速率過慢則會增大側蝕量﹐影響蝕刻質量。 
     當溫度高于60℃﹐蝕刻速率會明顯地增大,但NH3的揮發量也大大地增加﹐導致環境污染并使蝕刻液中化學組份比例失調。故一般應控制在45℃~55℃為宜。

 
    9）蝕刻液的調整 

    10）自動控制調整 
    隨著蝕刻的進行, 蝕刻液中銅的含量不斷增加﹐比重亦逐漸升高。當蝕刻液中銅濃度達到一定的高度時就要及時調整。在自動控制補加裝置中﹐是利用比重控制器來控制蝕刻液的比重。當比重升高時﹐會自動排放出溶液﹐并添加新的補加液﹐使蝕刻液的比重調整到允許的范圍。補加液要事先配制好并放入補加桶內﹐使補加桶的液面保持在一定的高度。 

    蝕刻過程中常見的問題 
    1·蝕刻速率降低 
    蝕刻速率降低與許多因素有關,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)﹐使其達到適宜的范圍。 

    2·蝕刻溶液中出現沈淀 
    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:冷卻系統漏水等)。溶液比重過高也會造成沈淀。

 
    3·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。 

    4·銅的表面發黑,蝕刻不動。 
    蝕刻液中NH4CL的含量過低所造成的。