蚀刻工艺(酸性、碱性、微蚀).doc

PCB外层电路的蚀刻工艺
在印制电路加工中﹐氨性蚀刻是一个较为精细和覆杂的化学反应过程, 却又是一项易于进行的工作。 只要工艺上达至调通﹐就可以进行连续性的生产, 但关键是开机以后就必需保持连续的工作状态﹐不适宜断断续续地生产。 蚀刻工艺对设备状态的依赖性极大, 故必需时刻使设备保持在良好的状态。 目前﹐无论使用何种蚀刻液﹐都必须使用高压喷淋﹐而为了获得较整齐的侧边线条和高质量的蚀刻效果﹐对喷嘴的结构和喷淋方式的选择都必须更为严格。
对于优良侧面效果的制造方式﹐外界均有不同的理论、 设计方式和设备结构的研究, 而这些理论却往往是人相径庭的。 但是, 有一条最基本的原则已被公认并经化学机理分析证实﹐就是尽速让金属表面不断地接触新鲜的蚀刻液。 在氨性蚀刻中﹐假定所有参数不变﹐那么蚀刻的速率将主要由蚀刻液中的氨（NH3）来决定。 因此, 使用新鲜溶液与蚀刻表面相互作用﹐其主要目的有两个﹕冲掉刚产生的铜离子及不断为进行反应供应所需要的氨（NH3）。
在印制电路工业的传统知识里﹐特别是印制电路原料的供货商们皆认同﹐并得经验证实﹐氨性蚀刻液中的一价铜离子含量越低﹐反应速度就越快。 事实上﹐许多的氨性蚀刻液产品都含有价铜离子的特殊配位基（一些复杂的溶剂）﹐其作用是降低一价铜离子（产品具有高反应能力的技术秘诀）﹐可见一价铜离子的影响是不小的。 将一价铜由5000ppm降至50ppm, 蚀刻速率即提高一倍以上。
由于在蚀刻反应的过程中会生成大量的一价铜离子, 而一价铜离子又总是与氨的络合基紧紧的结合在一起﹐所以要保持其含量近于零是十分困难的。 而采用喷淋的方式却可以达到通过大气中氧的作用将一价铜转换成二价铜, 并去除一价铜, 这就是需要将空气通入蚀刻箱的一个功能性的原因。 但是如果空气太多﹐又会加速溶液中的氨的损失而使PH值下降﹐使蚀刻速率降低。 氨在溶液中的变化量也是需要加以控制的, 有一些用户采用将纯氨通入蚀刻储液槽的做法, 但这样做必须加一套PH计控制系统, 当自动监测的PH结果低于默认值时﹐便会自动进行溶液添加。
在相关的化学蚀刻（亦称之为光化学蚀刻或PCH领域中﹐研究工作已经开始﹐并达至蚀刻机结构设计的阶段。 此方法所使用的溶液为二价铜, 不是氨-铜蚀刻, 它将有可能被用在印制电路工业中。 在PCH工业中, 蚀刻铜箔的典型厚度为5到10密耳(mils), 有些情况下厚度却相当大。它对蚀刻参数的要求经常比PCB工业更为苛刻。
有一项来自PCM工业系统但尚未正式发表的研究成果﹐相信其结果将会令人耳目一新。 由于有雄厚的项目基金支持﹐因此研究人员有能力从长远意议上对蚀刻装置的设计思想进行改变﹐同时研究这些改变所产生的效果。 比如说﹐与锥形喷嘴相比﹐采用扇形喷嘴的设计效果更佳﹐而且喷淋集流腔（即喷嘴拧进去的那一段管）也有一个安装角度﹐对进入蚀刻舱中的工件呈30度喷射﹐若不进行这样的改变, 集流腔上喷嘴的安装方式将会导致每个相领喷嘴的喷射角度都不一致。 第二组喷嘴各自的喷淋面与第一组相对应的皆略有不同（它表示了喷淋的工作情况）, 使喷射出的溶液形状成为迭加或交叉的状态。 理论上﹐如果溶液形状相互交叉, 该部分的喷射力就会降低而不能有效地将蚀刻表面上的旧溶液冲掉使新溶液与其接触。 在喷淋面的边缘处, 这种情况尤为突出, 其喷射力比垂直喷射要小得多。 这项研究发现﹐最新的设计参数是65磅/平方英寸（即4+Bar）。 每个蚀刻过程和每种实用的溶液都有一个最佳的喷射压力的问题﹐就目前而言﹐蚀刻舱内喷射压力在30磅/平方英寸（2Bar）以上的情况微乎其微。 但有一个原则﹐一种蚀刻溶液的密度（即比重或玻美度）越高﹐最佳的喷射压力也应越高。 当然, 这并非单一的参数, 另一个重要的参数是在溶液中控制其反应率的相对淌度(或迁移率)。
关于蚀刻状态不相同的问题
大量涉及蚀刻面的质量问题都集中在上板面被蚀刻的部分, 而这些问题来自于蚀刻剂所产生的胶状板结物的影响。 对这一点的了解是十分重要的, 因胶状板结物堆积在铜表面上﹐一方面会影响喷射力﹐另一方面会阻档了新鲜蚀刻液的补充﹐使蚀刻的速度被降低。 正因胶状板结物的形成和堆积, 使得基板上下面的图形的蚀刻程度不同, 先进入的基板因堆积尚未形成﹐蚀刻速度较快, 故容易被彻底地蚀刻或造成过腐蚀﹐而后进入的基板因堆积已形成﹐而减慢了蚀刻的速度。
蚀刻设备的维护
维护蚀刻设备的最关键因素就是要保证喷嘴的高清洁度及无阻塞物, 使喷嘴能畅顺地喷射。 阻塞物或结渣会使喷射时产生压力作用, 冲击板面。 而喷嘴不清洁﹐则会造成蚀刻不均匀而使整块电路板报废。
明显地﹐设备的维护就是更换破损件和磨损件﹐因喷嘴同样存在着磨损的问题, 所以更换时应包括喷嘴。 此外﹐更为关键的问题是要保持蚀刻机没有结渣﹐因很多时结渣堆积过多会对蚀刻液的化学平衡产生影响。 同样地﹐如果蚀刻液出现化学不平衡﹐结渣的情况就会愈加严重。 蚀刻液突然出现大量结渣时﹐通常是一个信号﹐表示溶液的平衡出现了问题, 这时应使用较强的盐酸作适当的清洁或对溶液进行补加。
另外, 残膜也会产生结渣物。 极少量的残膜溶于蚀刻液中﹐形成铜盐沈淀。这表示前道去膜工序做得不彻底, 去膜不良往往是边缘膜与过电镀共同造成的结果。
蚀刻过程中应注意的问题
1.      减少侧蚀和突沿﹐提高蚀刻系数
侧蚀会产生突沿。 通常印制板在蚀刻液中的时间越长, 侧蚀的情况越严重。 侧蚀将严重影响印制导线的精度﹐ 严重的侧蚀将不可能制作精细导线。 当侧蚀和突沿降低时﹐蚀刻系数就会升高﹐高蚀刻系数表示有保持细导线的能力﹐使蚀刻后的导线能接近原图尺寸。 无论是锡-铅合金﹐锡﹐锡-镍合金或镍的电镀蚀刻剂, 突沿过度时都会造成导线短路。 因为突沿容易撕裂下来﹐在导线的两点之间形成电的拆接。
影响侧蚀的因素有很多﹐下面将概述几点﹕
蚀刻方式﹕
浸泡和鼓泡式蚀刻会造成较大的侧蚀﹐泼溅和喷淋式蚀刻的侧蚀较小﹐尤以喷淋蚀刻的效果最好。
蚀刻液的种类﹕
不同的蚀刻液, 其化学组分不相同﹐蚀刻速率就不一样﹐蚀刻系数也不一样。
例如﹕酸性氯化铜蚀刻液的蚀刻系数通常为3﹐而碱性氯化铜蚀刻系数可达到4。
蚀刻速率﹕
蚀刻速率慢会造成严重侧蚀。 提高蚀刻质量与加快蚀刻速率有很大的关系, 蚀刻速度越快, 基板在蚀刻中停留的时间越短﹐侧蚀量将越小﹐蚀刻出的图形会更清晰整齐。
蚀刻液的PH值﹕
碱性蚀刻液的PH值较高时﹐侧蚀会增大。 为了减少侧蚀﹐PH值一般应控制在8.5以下。
蚀刻液的密度﹕
碱性蚀刻液的密度太低会加重侧蚀﹐选用高铜浓度的蚀刻液对减少侧蚀非常有利。
铜箔厚度﹕
要达到最小侧蚀的细导线的蚀刻﹐最好采用（超）薄铜箔。 而且线宽越细﹐铜箔厚度应越薄。 因为, 铜箔越薄在蚀刻液中的时间会越短﹐侧蚀量就越小。
2.      提高基板与基板之间蚀刻速率的一致性
在连续的板蚀刻中﹐蚀刻速率的一致性越高﹐越能获得蚀刻均匀的板。 要达到这一个要求﹐必须保证蚀刻液在蚀刻的整个过程始终保持在最佳的蚀刻状态。 这就要选择容易再生和补偿, 而蚀刻速率又容易控制的蚀刻液, 并 选用能提供恒定的操作条件和能自动控制各种溶液参数的工艺和设备, 通过控制溶铜量、 PH值、 溶液的浓度、 温度及溶液流量的均匀性（喷淋系统或喷嘴, 以至喷嘴的摆动）等来实现蚀刻速率的一致性。
3.      提高基板表面的蚀刻速率的均匀性
基板的上下两面以及板面上各部位的蚀刻的均匀性, 皆决定于板表面受到蚀刻剂流量的均匀性所影响。
在蚀刻的过程中﹐上下板面的蚀刻速率往往并不一致。 一般来说﹐下板面的蚀刻速率会高于上板面。 因为上板面有溶液的堆积﹐减弱了蚀刻反应的进行, 但可以通过调整上下喷嘴的喷淋压力来解决上下板面蚀刻不均的现象。
蚀刻工艺的一个普遍问题是在相同的时间里使全部板面都蚀刻干净是很难做到的。 因基板的边缘位置比中心部位蚀刻得更快, 故很难做到同时使全部蚀刻都干净。 而采用喷淋系统并使喷嘴摆动喷射是一个有效的解决措施。 要更进一步地改善, 可以透过对板中心和边缘处不同的喷淋压力, 以及对板前沿和板后端采用间歇蚀刻的方法﹐达到整个板面的蚀刻均匀性。
4.      提高安全处理和蚀刻薄铜箔及薄层压板的能力
在蚀刻薄层板时 (如: 多层板的内层板), 基板容易卷绕在滚轮和传送轮上而造成废品, 所以蚀刻内层板的设备必须要保证能平稳地及可靠地处理薄的层压板。 现时, 许多设备制造商在蚀刻机内附加齿轮或滚轮来防止卷绕的情况, 但更好的方法却是附加左右摇摆的四氟乙烯涂包线作为薄层压板传送时的支撑物。
对于薄铜箔（例如1/2或1/4盎司）的蚀刻, 必须保证铜面不被擦伤或划伤。 有时较剧烈的振颤都有可能损伤铜箔。
5.      减少污染的问题
铜对水的污染是印制电路生产中普遍存在的问题﹐而氨碱蚀刻液的使用更加重了这个问题。 因为铜与氨络合﹐不容易用离子交换法或碱沈淀法除去。 所以﹐采用无铜的添加液来漂洗板子(第二次喷淋操作的方法)﹐可大大地减少铜的排出量。 然后﹐再用空气刀在水漂洗之前将板面上多余的溶液去除﹐从而减轻了水对铜的蚀刻的盐类的漂洗负担。
在自动蚀刻系统中, 铜浓度是以比重来控制的。 在印制板的蚀刻过程中﹐随着铜不断地被溶解﹐当溶解的比重不断升高至超过一定的数值时﹐系统便会自动补加氯化铵和氨的水溶液﹐使比重调整回合适的范围。 一般的比重应控制在18~240Be。
溶液PH值的影响
蚀刻液的PH值应保持在8.0~8.8之间。 若PH值下降到8.0以下时, 将会对金属抗蚀层不利。 另一方面﹐蚀刻液中的铜不能被完全络合成铜氨络离子﹐使溶液在槽底形成泥状沈淀, 而这些沈淀物能在加热器上结成硬皮﹐可能会损坏加热器﹐还会使泵和喷嘴受到堵塞﹐给蚀刻造成困难。 如果溶液PH值过高﹐蚀刻液中的氨过饱和﹐游离氨便会释放到大气之中﹐导致环境污染。 再说﹐溶液的PH值增大也会增大侧蚀的程度﹐继而影响蚀刻的精度。
氯化铵含量的影响
通过蚀刻再生的化学反应可以看出﹕﹝Cu(NH3)2﹞1+的再生需要有过量的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﹐蚀刻速率就会降低﹐以至失去蚀刻能力。 所以﹐氯化铵的含量对蚀刻速率影响很大。 随着蚀刻的进行﹐要不断补加氯化铵。 但是﹐溶液中CL含量过高会引起抗蚀层被浸蚀。 一般蚀刻液中NH4CL含量应在150g/L左右。

温度的影响
蚀刻速率与温度有着很大的关系, 蚀刻速率会随着温度升高而加快。 蚀刻液温度低于40℃﹐蚀刻速率会很慢﹐而蚀刻速率过慢则会增大侧蚀量﹐影响蚀刻质量。 当温度高于60℃﹐蚀刻速率会明显地增大, 但NH3的挥发量也大大地增加﹐导致环境污染并使蚀刻液中化学组份比例失调。 故一般应控制在45℃~55℃为宜。
蚀刻液的调整
自动控制调整
随着蚀刻的进行, 蚀刻液中铜的含量不断增加﹐比重亦逐渐升高。 当蚀刻液中铜浓度达到一定的高度时就要及时调整。 在自动控制补加装置中﹐是利用比重控制器来控制蚀刻液的比重。 当比重升高时﹐会自动排放出溶液﹐并添加新的补加液﹐使蚀刻液的比重调整到允许的范围。 补加液要事先配制好并放入补加桶内﹐使补加桶的液面保持在一定的高度。

蚀刻过程中常见的问题
蚀刻速率降低
蚀刻速率降低与许多因素有关, 故需要检查蚀刻条件 (例如﹕温度、 喷淋压力、 溶液比重、 PH值和氯化铵的含量等)﹐使其达到适宜的范围。
蚀刻溶液中出现沈淀
是由于氨的含量过低（PH值降低）﹐或水稀释溶液等原因造成的 (例如:冷却系统漏水等)。 溶液比重过高也会造成沈淀。
抗蚀镀层被浸蚀
是由于蚀刻液PH值过低或CL含量过高所造成的。
铜的表面发黑, 蚀刻不动
蚀刻液中NH4CL的含量过低所造成的。