PCB外層電路的蝕刻工藝

一.概述

  　　目前,印刷電路板(PCB)加工的典型工藝采用"圖形電鍍法"。即先在板子外層需保留的銅箔部分上，也就是電路的圖形部分上預(yù)鍍一層鉛錫抗蝕層，然后用化學(xué)方式將其余的銅箔腐蝕掉,稱為蝕刻。要注意的是,這時(shí)的板子上面有兩層銅.在外層蝕刻工藝中僅僅有一層銅是必須被全部蝕刻掉的,其余的將形成終所需要的電路。這種類型的圖形電鍍,其特點(diǎn)是鍍銅層僅存在于鉛錫抗蝕層的下面。另外一種工藝方法是整個(gè)板子上都鍍銅,感光膜以外的部分僅僅是錫或鉛錫抗蝕層（見圖3）。這種工藝稱為“全板鍍銅工藝“。與圖形電鍍相比,全板鍍銅的大缺點(diǎn)是板面各處都要鍍兩次銅而且蝕刻時(shí)還必須都把它們腐蝕掉。因此當(dāng)導(dǎo)線線寬十分精細(xì)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一系列的問題。同時(shí),側(cè)腐蝕（見圖4）會(huì)嚴(yán)重影響線條的均勻性。

　　　在印制板外層電路的加工工藝中，還有另外一種方法，就是用感光膜代替金屬鍍層做抗蝕層。這種方法非常近似于內(nèi)層蝕刻工藝，可以參閱內(nèi)層制作工藝中的蝕刻。目前，錫或鉛錫是常用的抗蝕層,用在氨性蝕刻劑的蝕刻工藝中.氨性蝕刻劑是普遍使用的化工藥液，與錫或鉛錫不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。氨性蝕刻劑主要是指氨水/氯化氨蝕刻液。此外，在市場(chǎng)上還可以買到氨水/硫酸氨蝕刻藥液。

　　　以硫酸鹽為基的蝕刻藥液,使用后,其中的銅可以用電解的方法分離出來(lái),因此能夠重復(fù)使用。由于它的腐蝕速率較低，一般在實(shí)際生產(chǎn)中不多見,但有望用在無(wú)氯蝕刻中。有人試驗(yàn)用硫酸-雙氧水做蝕刻劑來(lái)腐蝕外層圖形。由于包括經(jīng)濟(jì)和廢液處理方面等許多原因,這種工藝尚未在商用的意義上被大量采用.更進(jìn)一步說(shuō),硫酸-雙氧水，不能用于鉛錫抗蝕層的蝕刻，而這種工藝不是PCB外層制作中的主要方法，故決大多數(shù)人很少問津。

二.蝕刻質(zhì)量及先期存在的問題

　　　對(duì)蝕刻質(zhì)量的基本要求就是能夠?qū)⒊刮g層下面以外的所有銅層完全去除干凈，止此而已。從嚴(yán)格意義上講，如果要精確地界定，那么蝕刻質(zhì)量必須包括導(dǎo)線線寬的一致性和側(cè)蝕程度。由于目前腐蝕液的固有特點(diǎn)，不僅向下而且對(duì)左右各方向都產(chǎn)生蝕刻作用，所以側(cè)蝕幾乎是不可避免的。

　　　側(cè)蝕問題是蝕刻參數(shù)中經(jīng)常被提出來(lái)討論的一項(xiàng),它被定義為側(cè)蝕寬度與蝕刻深度之比, 稱為蝕刻因子。在印刷電路工業(yè)中，它的變化范圍很寬泛，從1：1到1：5。顯然，小的側(cè)蝕度或低的蝕刻因子是令人滿意的。

　　　蝕刻設(shè)備的結(jié)構(gòu)及不同成分的蝕刻液都會(huì)對(duì)蝕刻因子或側(cè)蝕度產(chǎn)生影響，或者用樂觀的話來(lái)說(shuō)，可以對(duì)其進(jìn)行控制。采用某些添加劑可以降低側(cè)蝕度。這些添加劑的化學(xué)成分一般屬于商業(yè)秘密，各自的研制者是不向外界透露的。至于蝕刻設(shè)備的結(jié)構(gòu)問題，后面的章節(jié)將專門討論。

　　　從許多方面看，蝕刻質(zhì)量的好壞，早在印制板進(jìn)入蝕刻機(jī)之前就已經(jīng)存在了。因?yàn)橛≈齐娐芳庸さ母鱾€(gè)工序或工藝之間存在著非常緊密的內(nèi)部聯(lián)系，沒有一種不受其它工序影響又不影響其它工藝的工序。許多被認(rèn)定是蝕刻質(zhì)量的問題，實(shí)際上在去膜甚至更以前的工藝中已經(jīng)存在了。對(duì)外層圖形的蝕刻工藝來(lái)說(shuō)，由于它所體現(xiàn)的“倒溪”現(xiàn)像比絕大多數(shù)印制板工藝都突出，所以許多問題后都反映在它上面。同時(shí)，這也是由于蝕刻是自貼膜，感光開始的一個(gè)長(zhǎng)系列工藝中的后一環(huán)，之后，外層圖形即轉(zhuǎn)移成功了。環(huán)節(jié)越多，出現(xiàn)問題的可能性就越大。這可以看成是印制電路生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)很特殊的方面。

　　　從理論上講，印制電路進(jìn)入到蝕刻階段后，其圖形截面狀態(tài)應(yīng)如圖2所示。在圖形電鍍法加工印制電路的工藝中，理想狀態(tài)應(yīng)該是:電鍍后的銅和錫或銅和鉛錫的厚度總和不應(yīng)超過(guò)耐電鍍感光膜的厚度,使電鍍圖形完全被膜兩側(cè)的“墻”擋住并嵌在里面。然而,現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，全世界的印制電路板在電鍍后，鍍層圖形都要大大厚于感光圖形。在電鍍銅和鉛錫的過(guò)程中，由于鍍層高度超過(guò)了感光膜，便產(chǎn)生橫向堆積的趨勢(shì)，問題便由此產(chǎn)生。在線條上方覆蓋著的錫或鉛錫抗蝕層向兩側(cè)延伸，形成了“沿”，把小部分感光膜蓋在了“沿”下面（見圖5）。

　　　錫或鉛錫形成的“沿”使得在去膜時(shí)無(wú)法將感光膜徹底去除干凈，留下一小部分“殘膠”在“沿”的下面（見圖六）。“殘膠”或“殘膜”留在了抗蝕劑“沿”的下面，將造成不完全的蝕刻。線條在蝕刻后兩側(cè)形成“銅根”，銅根使線間距變窄，造成印制板不符合甲方要求，甚至可能被拒收。由于拒收便會(huì)使PCB的生產(chǎn)成本大大增加。另外，在許多時(shí)候，由于反應(yīng)而形成溶解，在印制電路工業(yè)中,殘膜和銅還可能在腐蝕液中形成堆積并堵在腐蝕機(jī)的噴嘴處和耐酸泵里，不得不停機(jī)處理和清潔，而影響了工作效率。

三.設(shè)備調(diào)整及與腐蝕溶液的相互作用關(guān)系

　　　在印制電路加工中，氨性蝕刻是一個(gè)較為精細(xì)和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。反過(guò)來(lái)說(shuō)它又是一個(gè)易于進(jìn)行的工作。一旦工藝上調(diào)通，就可以連續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)。關(guān)鍵是一旦開機(jī)就需保持連續(xù)工作狀態(tài),不宜干干停停。蝕刻工藝在極大的程度上依賴設(shè)備的良好工作狀態(tài)。就目前來(lái)講，無(wú)論使用何種蝕刻液，必須使用高壓噴淋，而且為了獲得較整齊的線條側(cè)邊和高質(zhì)量的蝕刻效果，必須嚴(yán)格選擇噴嘴的結(jié)構(gòu)和噴淋方式。

　　　為得到良好的側(cè)面效果,出現(xiàn)了許多不同的理論,形成不同的設(shè)計(jì)方式和設(shè)備結(jié)構(gòu)。這些理論往往是大相徑庭的。但是所有有關(guān)蝕刻的理論都承認(rèn)這樣一條基本的原則，即盡量快地讓金屬表面不斷的接觸新鮮的蝕刻液。對(duì)蝕刻過(guò)程所進(jìn)行的化學(xué)機(jī)理分析也證實(shí)了上述觀點(diǎn)。在氨性蝕刻中，假定所有其它參數(shù)不變，那么蝕刻速率主要由蝕刻液中的氨（NH3）來(lái)決定。因此用新鮮溶液與蝕刻表面作用,其目的主要有兩個(gè)：一是沖掉剛剛產(chǎn)生的銅離子；二是不斷提供進(jìn)行反應(yīng)所需要的氨（NH3）。

　　　在印制電路工業(yè)的傳統(tǒng)知識(shí)里,特別是印制電路原料的供應(yīng)商們,大家公認(rèn),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.這已由經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)。事實(shí)上，許多的氨性蝕刻液產(chǎn)品都含有一價(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(這些即是他們的產(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，蝕刻速率會(huì)提高一倍以上。

　　　由于蝕刻反應(yīng)過(guò)程中生成大量的一價(jià)銅離子，又由于一價(jià)銅離子總是與氨的絡(luò)合基緊緊的結(jié)合在一起,所以保持其含量近于零是十分困難的。通過(guò)大氣中氧的作用將一價(jià)銅轉(zhuǎn)換成二價(jià)銅可以去除一價(jià)銅。用噴淋的方式可以達(dá)到上述目的。

　　　這就是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)加速溶液中的氨損失而使PH值下降，其結(jié)果仍使蝕刻速率降低。氨在溶液中也是需要加以控制的變化量。一些用戶采用將純氨通入蝕刻儲(chǔ)液槽的做法。這樣做必須加一套PH計(jì)控制系統(tǒng)。當(dāng)自動(dòng)測(cè)得的PH結(jié)果低于給定值時(shí)，溶液便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行添加。

　　　在與此相關(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)到了蝕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段。在這種方法中,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），有些情況下厚度則相當(dāng)大。它對(duì)蝕刻參量的要求經(jīng)常比PCB工業(yè)中的更為苛刻。

　　　有一項(xiàng)來(lái)自PCM工業(yè)系統(tǒng)中的研究成果，目前尚未正式發(fā)表，但其結(jié)果將是令人耳目一新的。由于有較雄厚的項(xiàng)目基金支持，因此研究人員有能力從長(zhǎng)遠(yuǎn)意義上對(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,與錐形噴嘴相比，佳的噴嘴設(shè)計(jì)采用扇形，并且噴淋集流腔（即噴嘴擰進(jìn)去的那段管子）也有一個(gè)安裝角度,能對(duì)進(jìn)入蝕刻艙中工件呈30度噴射.如果不進(jìn)行這樣的改變，那么集流腔上噴嘴的安裝方式會(huì)導(dǎo)致每個(gè)相鄰噴嘴的噴射角度都不是完全一致的。二組噴嘴各自的噴淋面與一組相對(duì)應(yīng)的略有不同（見圖八，它表示了噴淋的工作情況）。這樣使噴射出的溶液形狀成為疊加或交叉的狀態(tài)。從理論上講，如果溶液形狀相互交叉，那么該部分的噴射力就會(huì)降低，不能有效地將蝕刻表面上的舊溶液沖掉而保持新溶液與其接觸。在噴淋面的邊緣處，這種情況尤其突出。其噴射力比垂直方向的要小得多。

　　　這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),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(guò)程和每種實(shí)用的溶液都有一個(gè)佳的噴射壓力的問題,而就目前來(lái)講，蝕刻艙內(nèi)噴射壓力達(dá)到30磅/平方英寸（2Bar）以上的情況微乎其微。有一個(gè)原則，即一種蝕刻溶液的密度（即比重或玻美度）越高，佳的噴射壓力也應(yīng)越高。當(dāng)然這不是單一的參數(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）。

四.關(guān)于上下板面,導(dǎo)入邊與后入邊蝕刻狀態(tài)不同的問題

　　　大量的涉及蝕刻質(zhì)量方面的問題都集中在上板面上被蝕刻的部分。了解這一點(diǎn)是十分重要的。這些問題來(lái)自印制電路板的上板面蝕刻劑所產(chǎn)生的膠狀板結(jié)物的影響。膠狀板結(jié)物堆積在銅表面上，一方面影響了噴射力，另一方面阻擋了新鮮蝕刻液的補(bǔ)充，造成了蝕刻速度的降低。正是由于膠狀板結(jié)物的形成和堆積使得板子的上下面圖形的蝕刻程度不同。這也使得在蝕刻機(jī)中板子先進(jìn)入的部分容易蝕刻的徹底或容易造成過(guò)腐蝕，因?yàn)槟菚r(shí)堆積尚未形成，蝕刻速度較快。反之，板子后進(jìn)入的部分進(jìn)入時(shí)堆積已形成，并減慢其蝕刻速度。

五.蝕刻設(shè)備的維護(hù)

　　　蝕刻設(shè)備維護(hù)的關(guān)鍵因素就是要保證噴嘴的清潔，無(wú)阻塞物而使噴射的通暢。阻塞物或結(jié)渣會(huì)在噴射壓力作用下沖擊版面。假如噴嘴不潔，那么會(huì)造成蝕刻不均勻而使整塊PCB報(bào)廢。明顯地，設(shè)備的維護(hù)就是更換破損件和磨損件，包括更換噴嘴，噴嘴同樣存在磨損的問題。除此之外，更為關(guān)鍵的問題是保持蝕刻機(jī)不存在結(jié)渣，在許多情況下都會(huì)出現(xiàn)結(jié)渣堆積.結(jié)渣的堆積過(guò)多，甚至?xí)?duì)蝕刻液的化學(xué)平衡產(chǎn)生影響。同樣,如果蝕刻液出現(xiàn)過(guò)量的化學(xué)不平衡，結(jié)渣就會(huì)愈加嚴(yán)重。結(jié)渣堆積的問題怎么強(qiáng)調(diào)都不過(guò)分。一旦蝕刻液突然出現(xiàn)大量結(jié)渣的情況，通常是一個(gè)信號(hào)，即溶液的平衡出現(xiàn)問題。這就應(yīng)該用較強(qiáng)的鹽酸作適當(dāng)?shù)厍鍧嵒驅(qū)θ芤哼M(jìn)行補(bǔ)加。

　　　殘膜也可以產(chǎn)生結(jié)渣物，極少量的殘膜溶于蝕刻液中，然后形成銅鹽沉淀。殘膜所形成的結(jié)渣說(shuō)明前道去膜工序不徹底。去膜不良往往是邊緣膜與過(guò)電鍍共同造成的結(jié)果。

資料來(lái)源：電子工程網(wǎng)