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行业新闻

PCB蚀刻机的原理和工艺流程,看完很有收获

  随着PCB工业的发展,各种导线之阻抗要求也越来越高,这必然要求导线的宽度控制更加严格。为了使荣信公司的工程管理人员,尤其是负责蚀刻工序的工艺工程人员对蚀刻工序有一定的了解,故撰写此份培训教材,以期有助于生产管理与监控,从面提高我司的产品品质。(本教材以设备为基础对蚀刻工艺进行讲解)

  2.蚀刻机的基础原理

  1)蚀刻的目的

  蚀刻的目的即是将前工序所做出有图形的线路板上的未受保护的非导体部分铜蚀刻去,形成线路。

  蚀刻有内层蚀刻和外层蚀刻,内层采用酸性蚀刻,湿膜或干膜为抗蚀剂;外层采用碱性蚀刻,锡铅为抗蚀剂。

  2)蚀刻反应基本原理

  一.酸性氯化铜蚀刻液

  •     1.特性

  -蚀刻速度容易控制,蚀刻液在稳定状态下能达到高的蚀刻质量

  -蚀铜量大

  -蚀刻液易再生和回收

  • 2.主要反应原理

  蚀刻过程中,CU2+有氧化性,将板面铜氧化成CU+:Cu+  CuCl2→2CuCl

  生成的CuCl不溶于水,在过量的氯离子存在下,生成可溶性的络离子:

  2CuCl+4Cl-→2[CuCl3]2-

  随着反应的进行,CU+越来越多,蚀铜能力下降,需对蚀刻液再生,使CU+变成CU2+。再生的方法有以下几种:通氧气或压缩空气再生(反应速率低),氯气再生(反应快,但有毒),电解再生(可直接回收铜,但需电解再生的设备和较高的电能消耗),次氯酸钠再生(成本高,本身较危险),双氧水再生(反应速率快,易控制).

  反应:2CuCl+2HCl+H2O2→2CuCl2+2H2O

  自动控制添加系统:通过控制蚀刻速度,双氧水和盐酸的添加比例,比重和液位,温度等项目,达到自动连续生产。

  我司采用此种再生方法。

  二.碱性氨类蚀刻液

  •   1.特性

  -不与锡铅发生任何反应

  —易再生,成本低,易回收

  -蚀铜速度快,侧蚀小,溶铜能力高,蚀刻速率易控制

  •   2.主要反应原理

  Cu+Cu(NH3)4Cl2→2Cu(NH3)2Cl

  4Cu(NH3)2Cl + 4NH3H2O + 4NH4Cl + O2 → 4Cu(NH3)4Cl2+6H2O

  以上两反应重复进行,因此需要有良好抽气,使喷淋形成 负压,使空气中的氧气与药液充分混合,从而利于蚀刻反应进行。注意抽气不可过大,否则造成氨水消耗量的增大.

  二价铜离子在碱性环境下极易生成氢氧化铜沉淀,需加入过量的氨水,使之生成稳定的氨铜错离子团;过量的氨使反应生成的不稳定Cu(NH3)2Cl 再生成稳定的具有氧化性的Cu(NH3)4Cl2,使反应不断的进行。

  生产过程中自动控制通过监测PH值,比重,进行补加氨水和新液,而达到连续生产的目的。

  3、蚀刻工艺流程及原理

  一.酸性氯化铜蚀刻

  1.工艺流程

  2.工艺原理

  —显影

  定义:利用碳酸钠的弱碱性将干膜上未经紫外线辐射的部分用碳酸钠溶液溶解,已经紫外线辐射而发生聚合反应的部分保留。

  —原理

  CO3-2  + ResistCOOH        HCO3-  + Resist COO-

  CO3-2主要为Na2CO3 或K2CO3

  ResistTOOH为干膜及油墨中反应官能基团,利用CO3-2与阻剂中羧基(COOH)进行酸碱中和反应,形成COO-和H CO3- ,使阻剂形成阴离子团而剥离。

  -蚀刻

  定义:将溶解了干膜(湿膜)而露出的铜面用酸性氯化铜溶解腐蚀,此过程叫蚀刻。

  影响因素:主要是溶液中Cl- 、Cu+的含量,溶液的温度及Cu2+的浓度等。

  -褪膜

  药水:NaOH  3+/-0.5%

  除泡剂0.1~0.2%

  定义:将线路上的保护膜去掉,露出已加工好的线路。影响褪膜效果因素:褪膜温度及速度,药水浓度

  注意:褪膜温度低,速度慢,药水浓度低,会导致褪膜不净;药水浓度高,会导致板面氧化。

  褪膜段喷嘴要及时清洗,防止碎片堵塞喷嘴,影响褪膜质量

  二.碱性蚀刻

  •   1.工艺流程

  注:整孔工序仅适用于沉金制板

  •   2.工艺原理

  -褪膜

  定义:用褪菲林液将线路板面上盖住的菲林褪去,露出未经线路加工的铜面.经电镀工序后的干膜在碱性褪膜液下溶解或部分成片状脱落,我司使用的是3% ±0.5%氢氧化钠溶液.为维持药液的效果,需注意过滤的效果,及时过滤去片状的干膜碎,防止堵塞喷嘴.

  注:内外层褪膜段使用药水及控制相同,但外层干膜厚为1.5mil左右,经图形电镀后,铜厚和锡厚之和通常超过1.5mil,需控制图形电镀电流参数防止夹膜,同时控制褪膜速度以防褪膜不净而短路。

  -蚀刻

  定义: 用蚀板液将多余的底铜蚀去剩下已加厚的线路。

  控制:随着反应不断进行,药液中氨水不断降低,铜离子不断增加,为保持蚀铜速度,必需维持药水的稳定.我司通过PH计,比重计控制氨水和新液的自动添加,当PH值低时添加氨水;当比重高时添加新液.为使之蚀铜反应进行更为迅速,蚀液中多加有助剂,例如:

  a.加速剂(Accelerator) 可促使上述氧化反应更为快速,并防止亚铜错离子的沉淀。

  b.护岸剂(Bankingagent) 减少侧蚀。

  c.压抑剂(Suppressor)抑制氨在高温下的飞散,抑制铜  的沉淀加速蚀铜的氧化反应。

  -新液洗

  使用不含有铜离子的NH3.H2O, NH4Cl溶液清除板面残留的药液以及反应生成物Cu(NH3)2Cl ,其极不稳定,易生成沉淀。

  -整孔

  除去非镀通孔中的在沉铜工序所吸附上去的钯离子, 以防在沉金工序沉上金.

  -褪锡

  使用含铜保护剂的主要成分为硝酸的药液,褪去线路上的锡铅层,露出线路

  •   4)名词解释

  水池效应

  在蚀刻过程中,线路板水平通过蚀刻机时,因重力作用在板上面新鲜药液被积水阻挠,无法有效和铜面反应,称之水池效应。而下面则无此现象。

  蚀刻因子

  蚀刻液在蚀刻过程中,不仅向下而且对左右各方向都产生蚀刻作用,侧蚀是不可避免的。侧蚀宽度与蚀刻深度之比称之为蚀刻因子。

  Etching Factor(蚀刻因子)=D/C

  Undercut=(A-B)/2

  •   5)设备

  -内外层均采用水平线设备。

  -对于碱性蚀刻,为增加蚀刻速度,需提高温度到46℃以上,因而有大量的氨臭味必须要有适当的抽风;抽风太大则将氨气抽走比较浪费,在抽风管内增加节流阀,控制抽风的强度。

  -无论何种蚀刻液,都需采用高压喷淋;为获得较整齐的线条侧边和高质量的蚀刻效果,须严格选择喷嘴的形状和喷淋方式。但不论如何选择,都遵循一基本理论,那就是以最快速度的让欲蚀刻铜表面接触愈多新鲜的蚀刻液。

  -喷嘴的形状有锥形(空锥形,实锥形),扇形等,我司采用的是扇形喷嘴。与锥形喷嘴相比,最佳的设计是扇形喷嘴。注意集流管的安装角度,能对进入蚀刻槽内的制板进行30度喷射。第二组集流管与第一组比有所不同,因喷淋液互相交叉时会降低喷淋的效果,尽量避免出现此种情况。

  -蚀刻槽内集流管的安装与前进方向比有横置,竖置和斜置,我司采用的安装方式有两种方式(见下图)。但摆动方向均垂直于运输方向。

  -蚀刻品质往往因水池效应(pudding)而受限, 这也是为何板

  子前端部份往往有overetch现象,   所以设备设计上就有如下

  考虑:

  a.板子较细线路面朝下,较粗线路面朝上.

  b.喷嘴上,下喷液压力调整以为补偿,依实际作业结果来调整其差异.

  c.先进的蚀刻机可控制当板子进入蚀刻段时,前面几组喷嘴会停止喷洒几秒的时间.

  3.技术提升部分

  1)生产线简介

  1.内层酸性蚀刻

  冲、蚀板、褪菲林生产线机器运行参数

  冲板、褪膜、褪菲林换药和补药标准

  2.外层碱性蚀刻

  A)使用的是TCM退膜、蚀刻机,设备性能参数:

  有效宽度:620mm

  行辘速度:0~8m/min

  压力:2.5kg/cm2

  安全性:机械、电气部分有良好保护,有紧急开关。

  B).操作条件

  2)生产线维护

  设备的日常保养

  A.不使蚀刻液有sludge产生(浅蓝色一价铜污泥),当结渣越多,会影响蚀刻液的化学平衡,蚀刻速率迅速下降。所以成份控制很重要-尤其是PH,太高或太低都有可能造成.

  B.随时保持喷嘴不被堵塞.(过滤系统要保持良好状态),每周保养时检查喷嘴,若堵塞则立即清除堵塞物。

  C.及时更换破损的喷嘴和配件

  D.PH计,比重感应器要定期校验.

  3)生产注意事项

  1.严格控制退膜液的浓度,以保证干膜以合适的速度和大小退去,且不易堵塞喷嘴。

  2.退膜后水洗压力应大于20PSI,以便除去镀层与底铜间的残膜和附在板面上的残膜。

  3.蚀刻药水压力应在18 ~30PSI,过低则蚀刻不尽,过高则易打断药水的保护膜,造成蚀刻过度。

  4)影响蚀刻速率因素分析

  一.酸性氯化铜溶液

  影响蚀刻速率的因素有很多,主要是Cl- ,Cu+含量,溶液温度及Cu2+浓度。

  1.Cl-含量的影响

  在氯化铜蚀刻液中Cl-浓度较多时,Cu2+和Cu+实际上是以络离子的形式存在([Cu2+Cl4]2-,[Cu+Cl3]2- ),所以蚀刻液的配制和再生都需要Cl-参加反应,下表为氯离子溶度与蚀刻速率关系。

  从图中可以看出:

  -当盐酸溶度升高时,蚀刻时间减少,但超过6 N酸其盐酸,挥发量大,且对造成对设备的腐蚀,并随着酸浓度的增加,氯化铜的溶解度迅速降低。

  在氯化铜溶液中发生铜的蚀刻反应时,生成的CuCl2不易溶于水,则在铜的表面形成一层氯化亚铜膜,这种膜能阻止反应的进一步进行,过量的Cu-能与Cu2Cl2结合形成可溶性的络离子[Cu1+Cl3]2-,从铜表面上溶解下来,从而提高蚀刻速率。

  2.Cu+含量的影响

  根据蚀刻反应,随着铜的蚀刻就会形成一价铜离子,较微量的Cu+会显著地降低蚀刻速率。

  根据奈恩斯物方程:

  E-指定浓度下的电极电位

  n- 得失电子数

  [ Cu2+ ]-  二价铜离子浓度

  [ Cu+]-    一价铜离子浓度

  Cu+浓度与氧化--还原电位之间的关系

  溶液氧化一还原反应位与蚀刻速率的关系

  从图中可以看出,随着Cu+浓度的不断升高,氧化还原电位不断下降。当氧化还原电位在530mu时,Cu1+浓度低于0.4g/l能提供最理想的高的和几乎恒定的蚀刻速率。

  3.Cu2+含量的影响

  溶液中Cu2+含量对蚀刻速率的关系:

  当Cu2+低时,反应较缓慢,但当Cu2+达到一定浓度时也会反应速率降低。

  4.温度对蚀刻速率的影响

  随着温度提高蚀刻时间越短,一般在40-55℃间,当温度高时会引起HCl过多地挥发造成溶液比例失调,另温度较高也会引起机器损伤及阻蚀层的破坏。

  二.碱性氨类蚀刻液

  蚀刻液的PH值,比重( Cu2+的浓度),氯化氨浓度以及蚀刻液的温度等对蚀刻速度均有影响。

  1.Cu2+含量的影响

  -Cu2+过低,蚀刻速率低,且溶液控制困难;

  - Cu2+过高,溶液不稳定,易生成沉淀;

  - 须控制Cu2+浓度在115~135g/l,连续生产则通过比重来控制。

  2.溶液PH值的影响

  -PH值过低,对金属抗蚀层不利;且溶液中的铜不能完全被络合成铜氨络离子,溶液要出现沉淀,并在槽底形成泥状沉淀。这些沉淀能结在加热器上形成硬皮,可能损坏加热器,还会堵塞泵或喷嘴,对蚀刻造成困难。

  -PH值过高,溶液中氨过饱和,游离到空气中污染环境;且使侧蚀增大。

  3.氯化氨含量的影响

  -从前面反应可知,Cu(NH3)2Cl的再生需要过量的NH3和NH4Cl存在。若氯化氨过低,Cu(NH3)2Cl得不到再生,蚀刻速率会降低。

  -氯化氨过高,引起抗蚀层被浸蚀。

  4.温度的影响

  -蚀刻速率会随着温度的升高而加快;

  -蚀刻温度过低,蚀刻速度会降低,则会增大侧蚀量,影响蚀刻质量。

  -蚀刻温度高,蚀刻速度明显增大,但氨气的挥发量液增大,既污染环境,有增加成本。

  5.喷液压力的影响

  -蚀刻药水压力应在18 ~30PSI,过低则蚀刻不尽,过高则易打断药水的保护膜,造成蚀刻过度。

  5)蚀刻能力提高

  一.减少侧蚀和突沿,提高蚀刻因子。

  侧蚀造成突沿,侧蚀和突沿降低,蚀刻因子会提高;突沿过度会造成导线短路,因为突沿会突然断裂下来,在导线间形成电的连接。严重的侧蚀则使精细导线的制作成为不可能。

  影响侧蚀的因素及改善方法

  蚀刻方式:浸泡和鼓泡式会造成较大的侧蚀,泼溅和喷淋式侧蚀较小,尤其是喷淋式侧蚀最小。

  蚀刻液种类:不同的蚀刻液化学组分不同,蚀刻速度不同,侧蚀也不同。通常,碱性氯化铜蚀刻液比酸性氯化铜蚀刻液蚀刻因子大。药水供应商通常会添加辅助剂来降低侧蚀,不同的供应商添加的辅助剂不同,蚀刻因子也不同。

  蚀刻运输速率:运输速率慢会造成严重的侧蚀。运输速率快,板在蚀刻液中停留的时间越短,侧蚀量也越小。生产过程中,尽量提高蚀刻的运输速度。    蚀刻液的PH值:碱性蚀刻液,PH值较高时,侧蚀增大。一般控制PH值在8.5以下。

  蚀刻液的比重:碱性蚀刻液的比重太低,会加重侧蚀,选择高铜浓度的蚀刻液对减少侧蚀是有利的。

  底铜厚度:底铜厚度越大,板需在蚀刻液中停留的时间也越长,侧蚀就越大。制作密集细小线路的制板,尽量使用低厚度的铜箔,减小全板镀铜厚度。

  二.提高板与板之间蚀刻速率的一致性

  在连续生产过程中,蚀刻速率越一致,越能获得蚀刻均匀的板,生产越容易控制。因此必须保证溶液始终保持最佳状态。

  -选择易再生,蚀刻速率易控制的药水;

  -选择能提供恒定操作条件的自动控制的工艺和设备

  -通过自动添加来保证溶液的稳定

  -通过喷淋系统或喷嘴的摆动来保证溶液流量的均匀性

  三.提高整个板面蚀刻速率的均匀性。

  板的上下两面以及板面各个部位蚀刻均匀性有由板表面受到蚀刻液流量的均匀性决定的。

  -由于水池效应的影响,板下面蚀刻速率高于上面,可根据实际生产情况调整不同位置喷液压力达到目的。生产操作中,需定期对设备进行检测和调校。

  -板边缘比板中间蚀刻速率快,也可通过调整压力解决此问题,另外使喷淋系统摆动也是有效的。

  常见问题及改善

  •   6)工序潜力与展望

  随着未来PCB的发展,如挠性板、密的线路板的生产将采取相应的措施,比如可将钻孔后之板适当蚀去1/3到1/2的底铜,再做PTH全板,Dryfilm、图形电镀即可减少侧蚀,从而保证线宽足够。

  •   7)生产安全与环境保护

  因蚀刻工序使用了强碱(如NaOH)、氨水等化学品,生产过程中有较大气味产生,同时产生大量废液、废渣,故应加强抽风以及及时将废液、废渣运走,同时可进行蚀刻液循环利用。

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