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液态感光至抗蚀刻及图形转移工艺

PCB制造工艺（Technology）中，不管是单、双面板及多层板（MLB），最基础、最关键工序之一是图形转移，立即摄影底版（Art-work）图形转移到敷铜箔基材上。图形转移是生产中关键控制点，也是技术难点所在。其工艺方法有很多，如丝网印刷（Screen Printing）图形转移工艺、干膜（Dry Film）图形转移工艺、液态感光至抗蚀剂（Liquid Photoresist）图形转移工艺、电沈积光至抗蚀剂（ED膜）制作工艺和激光直接成像技术（Laser Drect Image）。当今能取而代之干膜图形转移工艺首推液态感光至抗蚀剂图形转移工艺，该工艺以膜薄，分辨率(Resolution)高，成本低，操作条件要求低等优势得到广泛应用。本文就PCB图形转移中液态感光至抗蚀剂及其制作工艺进行浅析。
一．液态感光至抗蚀剂（Liquid Photoresist）
　　液态感光至抗蚀剂（简称湿膜）是由感旋光性树脂，配合感光剂、色料、填料及溶剂等制成，经光照射后产生光聚合反应而得到图形，属负性感光聚合型。和传统抗蚀油墨及干膜相比含有以下特点：
　　a）不需要制丝网模版。采取底片接触曝光成像（Contact Printig），可避免网印所带来渗透、污点、阴影、图像失真等缺点。解像度(Resolution)大大提升，传统油墨解像度为200ｕm，湿膜可达40ｕm。
　　b）因为是光固化反应结膜，其膜密贴性、结合性、抗蚀能力（Etch Resistance）及其抗电镀能力比传统油墨好。
　　c）湿膜涂布方法灵活、多样，工艺操作性强，易于掌握。
　　d）和干膜相比，液态湿膜和基板密贴性好，可填充铜箔表面轻微凹坑、划痕等缺点。再则湿膜薄可达5～10ｕｍ，只有干膜1/3左右，而且湿膜上层没有覆盖膜（在干膜上层覆盖有约为25ｕｍ厚聚酯盖膜），故其图形解像度、清楚度高。如：在曝光时间为4S/7K时，干膜解像度为75ｕｍ，而湿膜可达成40ｕｍ。从而确保了产质量量。
　　e）以前使用干膜常出现起翘、电镀渗镀、线路不整齐等问题。湿膜是液态膜，不起翘、渗镀、线路整齐，涂覆工序到显形工序许可搁置时间可达４８ｈｒ，处理了生产工序之间关联矛盾，提升了生产效率。
　　f）对于当今日益推广化学镀镍金工艺，通常干膜不耐镀金液，而湿膜耐镀金液。
　　g）因为是液态湿膜，可挠性强，尤其适适用于挠性板（Flexible Printed Board）制作。
　　h）湿膜因为本身厚度减薄而物d料成本降低，且和干膜相比，不需要载体聚酯盖膜（Polyester Cover sheet）和起保护作用聚乙烯隔膜（Polyettylene Separator Sheet），而且没有象干膜裁剪时那样大浪费，不需要处理后续废弃薄膜所以，使用湿膜大约能够节省成本每平方米30～50%。
　　i）湿膜属单液油墨轻易存贮保管，通常放置温度为20±2℃，相对湿度为55±5%，阴凉处密封保留，贮存期(Storage Life):4～6个月。
　　j）使用范围广，可用作MLB内层线路图形制作及孔化板耐电镀图形制作，也可和堵孔工艺结合作为掩孔蚀刻图形抗蚀剂，还可用于图形模板制作等。
　　不过，湿膜厚度（Thickness）均匀性不及干膜，涂覆以后烘干程度也不易掌握好增加了曝光困难．故操作时务必仔细。另外，湿膜中助剂、溶剂、引发剂等挥发，对环境造成污染，尤其是对操作者有一定伤害。所以，工作场地必需通风良好。
　　现在，使用液态感光至抗蚀剂，外观呈粘稠状，颜色多为蓝色（Blue）。如：台湾精化企业产GSP1550、台湾缇颖企业产APR-700等，这类皆属于单液油墨，可用简单网印方法涂覆，用稀碱水显影，用酸性或弱碱性蚀刻液蚀刻。
　　液态感光至抗蚀剂使用寿命（Lifespan）：其使用寿命和操作环境和时间相关。通常温度≤25℃，相对湿度≤60%，无尘室黄光下操作，使用寿命为3天，最好24hr内使用完。
二． 液态感光至抗蚀剂图形转移
　　液态感光至抗蚀剂工艺步骤：上道工序 → 前处理 → 涂覆 → 预烘 → 定位 → 曝光 → 显影 →干燥 → 检验修版 → 蚀刻或电镀 → 去膜 → 交下工序

1．前处理（Pre-cleaning)
　　前处理关键目标是去除铜表面油脂（Grease）、氧化层（Oxidized Layer）、灰尘(Dust)和颗粒(Particle)残留、水分（Moisture）和化学物质（Chemicals）尤其是碱性物质（Alkaline）确保铜（Copper）表面清洁度和粗糙度，制造均匀适宜铜表面，提升感光胶和铜箔结协力，湿膜和干膜要求有所不一样，它更侧重于清洁度。
　　前处理方法有：机械研磨法、化学前处理法及二者相结合之方法。
　　1） 机械研磨法
　　磨板条件：
　　浸酸时间：6～8s。
　　H2SO4:　　 2.5%。
　　水　　洗: 5ｓ～8ｓ。
　　尼龙刷Nylon Brush):500～800目，大部分采取600目。
　　磨板速度：1.2～1.5m/min， 间隔3～5cm。
　　水　　压：2～3kg/cm2。
　　严格控制工艺参数，确保板面烘干效果，从而使磨出板面无杂质、胶迹及氧化现象。磨完板后最好进行防氧化处理。
　　2）化学前处理法
　　对于MLB内层板（Inner Layer Board），因基材较薄，不宜采取机械研磨法而常采取化学前处理法。
　　经典化学前处理工艺：
　　去油→清洗→微蚀→清洗→烘干
　　去油：
　　Na3PO4　　　40～60g/l
　　Na2CO3　　　40～60g/l
　　NaOH　　　  10～20g/l
　　温度：　　  40～60℃
　　微蚀（Mi-croetehing）：
　　NaS2O8　　  170～200g/l
　　H2SO4(98%)  2%V/V
　　温度：　　  20～40℃
　　经过化学处理铜表面应为粉红色。不管采取机械研磨法还是化学前处理法，处理后全部应立即烘干。
　　检验方法：采取水膜试验，水膜破裂试验原理是基于液相和液相或液相和固相之间接口化学作用。若能保持水膜15～30ｓ不破裂即为清洁洁净。
　　注意：清洁处理后板子应戴洁净手套拿放，并立即涂覆感光胶，以防铜表面再氧化。

2．涂覆（Coating）
　　涂覆指使铜表面均匀覆盖一层液态感光至抗蚀剂。其方法有多个，如离心涂覆、浸涂、网印、帘幕涂覆、滚涂等。
　　丝网印刷是现在常见一个涂覆方法，其设备要求低，操作简单轻易，成本低。但不易双面同时涂覆，生产效率低，膜均匀一至性不能完全确保。通常网印时，满版印刷采取100～300目丝网抗电镀采取150目丝网。此法受到多数中小厂家欢迎。
　　滚涂能够实现双面同时涂覆，自动化生产效率高，能够控制涂层厚度，适适用于多种规格板大规模生产，但需设备投资。
　　帘幕涂覆也适宜大规模生产，也能均匀控制涂覆层厚度，但设备要求高，且只能涂完一面后再涂另一面，影响生产效率。
　　感光至涂覆层膜太厚，轻易产生曝光不足，显影不足，感压性高，易粘底片；膜太薄，轻易产生曝光过分，抗电镀绝缘性差及易产生电镀金属上膜现象，而且去膜速度慢。
　　工作条件：无尘室黄光下操作，室温为23～25℃，相对湿度为55±5%，作业场所保持洁净，避免阳光及日光灯直射。
　　涂覆操作时应注意以下几方面
　　1）若涂覆层有针孔，可能是感光至抗蚀剂有不明物，应用丙酮洗净且更换新抗蚀剂。也可能是空气中有微粒落在板面上或其它原因造成板面不洁净，应在涂膜前仔细检验并清洁。
　　2）网印时若感光至涂覆层膜太厚，是因为丝网目数太小；膜太薄，那可能是丝网目数太大所至。若涂覆层厚度不均匀，应加稀释剂调整抗蚀剂粘度或调整涂覆速度。
　　3）涂膜时尽可能预防油墨进孔。
　　4）不管采取何种方法，感光至涂覆层（Photoimageable covercoating）全部应达成厚度均匀、无针孔、气泡、夹杂物等，皮膜厚度干燥后应达成8～15ｕｍ。
　　5）因液态感光至抗蚀剂含有溶剂，作业场所必需换气良好。
　　6）工作完后用肥皂洗净手。

3．预烘（Pre-curing）
　　预烘是指经过加温干燥使液态感光至抗蚀剂膜面达成干燥，以方便底片接触曝光显影制作出图形。此工序大全部和涂覆工序同一室操作。预烘方法最常见有烘道和烘箱两种。
　　通常采取烘箱干燥，双面第一面预烘温度为80±5℃，10～15分钟；第二面预烘温度为80±5℃，15～20分钟。这种一先一后预烘，使两面湿膜预固化程度存在差异，显影效果也难确保完全一至。理想是双面同时涂覆，同时预烘，温度80±5℃，时间约20～30分钟。这么双面同时预固化而且能确保双面显影效果一至，且节省工时。
　　控制好预烘温度（Temperature）和时间（Time）很关键。温度过高或时间过长，显影困难，不易去膜；若温度过低或时间过短，干燥不完全，皮膜有感压性，易粘底片而至曝光不良，且易损坏底片。所以，预烘合适，显影和去膜较快，图形质量好。
　　该工序操作应注意
　　（1）预烘后，板子应经风冷或自然冷却后再进行底片对位曝光。
　　（2）不要使用自然干燥，且干燥必需完全，不然易粘底片而至曝光不良。预烘后感光膜皮膜硬度应为 HB～1H。
　　（3）若采取烘箱，一定要带有鼓风和恒温控制，以使预烘温度均匀。而且烘箱应清洁，无杂质，以免掉落在板上，损伤膜面。
　　（4）预烘后，涂膜到显影搁置时间最多不超出48hr，湿度大时尽可能在12hr内曝光显影。
　　（5）对于液态感光至抗蚀剂型号不一样要求也不一样，应仔细阅读说明书，并依据生产实践调整工艺参数，如厚度、温度、时间等。

4．定位（Fixed Postion）
　　伴随高密度互连技术（HDI）应用不停扩大，分辨率和定位度已成为PCB制造厂家面临重大挑战。电路密度越高，要求定位越正确。定位方法有目视定位、活动销钉定位，固定销钉定位等多个方法。
　　目视定位是用重氮片（Diazo film）透过图形和印制板孔重合对位，然后贴上粘胶带曝光。重氮片呈棕色或桔红色半透明状态，能够确保很好重合对位精度。银盐片（Silver Film）也可采取此法，但必需在底片制作透明定位盘才能定位。
　　活动销钉定位系统包含摄影胶卷冲孔器和双圆孔脱销定位器，其方法是：先将正面，反面两张底版药膜相对对准，用胶卷冲孔器在有效图形外任意冲两个定位孔，任取一张去编钻孔程序，就能够利用钻床一次性钻孔，印制板金属化孔及预镀铜后，便可用双圆孔脱销定位器定位曝光。
　　固定销钉定位分两套系统，一套固定摄影底版，另一套固定PCB ，经过调整两销钉位置，实现摄影底版和PCB重合对准。

5．曝光（Exposuring）
　　液态感光至抗蚀剂经UV光（300～400nm）照射后发生交联聚合反应，受光照部分成膜硬化而不被显影液所影响。通常选择曝光灯灯源为高亮度、中压型汞灯或金属卤化物汞灯。灯管6000W，曝光量100～300mj/cm2,密度测定采取21级光密度表(Stouffer21)，以确定最好曝光参数，通常为6～8级。液态感光至抗蚀剂对曝光采取平行光要求不严格，但其感光速度不及干膜，所以应使用高效率曝光机(Drawer)。
　　光聚合反应取决于灯光强和曝光时间，灯光强和激发电压相关，和灯管使用时间相关。所以，为确保光聚合反应足够光能量，必需由光能量积分仪来控制，其作用原理是确保曝光过程中灯光强度发生改变时，能自动调整曝光时间来维持总曝光能量不变，曝光时间为25～50秒。
　　影响曝光时间原因：
　　（1）灯光距离越近，曝光时间越短；
　　（2）液态光至抗蚀剂厚度越厚，曝光时间越长；
　　（3）空气湿度越大，曝光时间越长；
　　（4）预烘温度越高，曝光时间越短。
　　当曝光过分时，易形成散光折射，线宽减小，显影困难。当曝光不足时，显影易出现针孔、发毛、脱落等缺点，抗蚀性和抗电镀性下降。所以选择最好曝光参数是控制显影效果关键条件。
　　底片质量好坏，直接影响曝光质量，所以，底片图形线路清楚，不能有任何发晕、虚边等现象，要求无针孔、沙眼，稳定性好。底片要求黑白反差大：银盐片光密度（Density）DMAX≥3.5，DMIN ≤0.15；重氮片光密度DMAX≥1.2,DMIN≤0.1。
　　通常来说，底片制作完后，从一个工序（工厂）传送到另一个工序（工厂），或存贮一段时间，才进入黄光室，这么经历不一样环境，底片尺寸稳定性难以确保。本人认为制完底片应直接进入黄光室，每张底片制作80多块板，便应废弃。这么可避免图形微变形，尤其是微孔技术更应重视这一点。
　　曝光工序操作注意事项
　　（1）曝光机抽真空晒匣必不可少，真空度≥90%，只经过抽真空将底片和工件紧密贴合，才能确保图像无畸变，以提升精度。
　　（2）曝光操作时，若出现粘生产底片，可能是预烘不够或晒匣真空太强等原因造成，应立即调整预烘温度和时间或检验晒匣抽真空情况。
　　（3）曝光停止后，应立即取出板件，不然，灯内余光会造成显影后有余胶。
　　（4）工作条件必需达成：无尘黄光操作室，清洁度为10000～100000级，有空调设施。曝光机应含有冷却排风系统。
　　（5）曝光时底片药膜面务必朝下，使其紧贴感光膜面，以提升解像力。

6．显影（Developing）
　　显影即去掉（溶解掉）未感光非图形部分湿膜，留下已感光硬化图形部分。其方法通常有手工显影和机器喷淋显影。
　　该工序工作条件同涂覆工序。
　　机器显影配方及工艺规范
　　Na2CO3　　　　0.8～1.2%
　　消泡剂 　　　0.1%
　　温　度　　　 30±2℃
　　显影时间　　 40±10秒
　　喷淋压力　 　1.5～3kg/cm2
　　操作时显像点（Breok Point Control)控制在1/3～1/2处。为确保显影质量，必需控制显影液浓度、温度和显影时间在合适操作范围内。温度太高（35℃以上）或显影时间太长（超出90秒以上），会造成皮膜质量、硬度和耐化学腐蚀性降低。显影后有余胶产生，大多和工艺参数相关，关键有以下多个可能：
　　①显影温度不够；
　　②Na2CO3浓度偏低；
　　③喷淋压力小；
　　④传送速度较快，显影不根本；
　　⑤曝光过分；
　　⑥迭板。
　　该工序操作注意事项
　　（1）若生产中发觉有湿膜进入孔内，需要将喷射压力调高和延长显影时间。显影后应认真检验孔内是否洁净，若有残胶应返工重显。
　　（2）显影液使用一段时间后，能力下降，应更换新液。试验证实，当显影液PH值降至10.2时，显影液已失去活性，为确保图像质量，PH＝10.5时制版量定为换缸时间。
　　（3）显影后应充足洗净，以免碱液带入蚀刻液中。
　　（4）若产生开路、短路、露铜等现象，其原因通常是底片上有损伤或杂物。

7．干燥
　　为使膜层含有优良抗蚀抗电镀能力，显影后应再干燥，其条件为温度100℃，时间1～2分钟。固化后膜层硬度应达成2H～3H。

8． 检验修版
　　修版实际上是进行自检，其目标关键是：修补图形线路上缺点部分，去除和图形要求无关部分，即去除多出如毛刺、胶点等，补上缺乏如针孔、缺口、断线等。通常标准是先刮后补，这么轻易确保修版质量。常见修版液有虫胶、沥青、 耐酸油墨等，比较简便是虫胶液，其配方以下：
　　虫　胶　　100～150g/l
　　甲基紫　　1～2g/l
　　无水乙醇　适量
　　修版要求：图形正确，对位正确，精度符合工艺要求；导电图形边缘整齐光滑，无残胶、油污、指纹、针孔、缺口及其它杂质，孔壁无残膜及异物；90%修版工作量全部是因为曝光工具不洁净所造成，故操作时应常常检验底片，并用酒精清洗晒匣和底片，以降低修版量。修版时应注意戴细纱手套，以防手汗污染版面。若头两道工序做得相当好，几乎无修版量，可省掉修版工序。
9．去膜（Strip）
　　蚀刻（Etching）或电镀（Plating）完成，必需去除抗蚀保护膜，通常去膜采取4～8%NaOH水溶液，加热膨胀剥离分化而达成目标。方法有手工去膜和机器喷淋去膜。 采取喷淋去膜机，其喷射压力为2～3kg/cm2，去膜质量好，去除洁净根本，生产效率高。提升温度可增加去膜速度，但温度过高，易产生黑孔现象，故温度通常宜采取50～60℃。去膜后务必清洁洁净，若去膜后表面有余胶，其原因关键是烘烤工序工艺参数不正确，通常是烘烤过分。

　　现在，集成电路和封装技术快速发展，对PCB线路精细程度要求越来越高．总而言之采取液态感光至抗蚀剂图形转移工艺，不仅能够提升线路制作精细度，而且可降低生产成本，还可利用原有设备，操作工艺也易掌握。液态感光至抗蚀剂图形转移工艺已成为适合高精度高密度要求图形制作工艺。我们相信，经过生产实践，会使其工艺愈加完善。