PCB蝕刻工藝及過程控制(zhì)

       印刷線路闆從光闆到顯出線路圖形的過程是一個(gè)比較複雜的物理(lǐ)和(hé)化學反應的過程，本文就對其最後的一步--蝕刻進行(xíng)解析。目前,印刷電(diàn)路闆(PCB)加工的典型工藝采用"圖形電(diàn)鍍法"。即先在闆子外層需保留的銅箔部分上(shàng)，也就是電(diàn)路的圖形部分上(shàng)預鍍一層鉛錫抗蝕層，然後用化學方式将其餘的銅箔腐蝕掉,稱為(wèi)蝕刻。 

    一.蝕刻的種類 
    要注意的是，蝕刻時(shí)的闆子上(shàng)面有(yǒu)兩層銅。在外層蝕刻工藝中僅僅有(yǒu)一層銅是必須被全部蝕刻掉的，其餘的将形成最終所需要的電(diàn)路。這種類型的圖形電(diàn)鍍,其特點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)闆子上(shàng)都鍍銅，感光膜以外的部分僅僅是錫或鉛錫抗蝕層。這種工藝稱為(wèi)“全闆鍍銅工藝“。與圖形電(diàn)鍍相比,全闆鍍銅的最大(dà)缺點是闆面各處都要鍍兩次銅而且蝕刻時(shí)還(hái)必須都把它們腐蝕掉。因此當導線線寬十分精細時(shí)将會(huì)産生(shēng)一系列的問題。同時(shí),側腐蝕會(huì)嚴重影(yǐng)響線條的均勻性。 
    在印制(zhì)闆外層電(diàn)路的加工工藝中，還(hái)有(yǒu)另外一種方法，就是用感光膜代替金屬鍍層做(zuò)抗蝕層。這種方法非常近似于內(nèi)層蝕刻工藝，可(kě)以參閱內(nèi)層制(zhì)作(zuò)工藝中的蝕刻。 
    目前，錫或鉛錫是最常用的抗蝕層,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，與錫或鉛錫不發生(shēng)任何化學反應。氨性蝕刻劑主要是指氨水(shuǐ)/氯化氨蝕刻液。 
    此外，在市場(chǎng)上(shàng)還(hái)可(kě)以買到氨水(shuǐ)/硫酸氨蝕刻藥液。以硫酸鹽為(wèi)基的蝕刻藥液,使用後,其中的銅可(kě)以用電(diàn)解的方法分離出來(lái),因此能夠重複使用。由于它的腐蝕速率較低(dī)，一般在實際生(shēng)産中不多(duō)見,但(dàn)有(yǒu)望用在無氯蝕刻中。 
    有(yǒu)人(rén)試驗用硫酸-雙氧水(shuǐ)做(zuò)蝕刻劑來(lái)腐蝕外層圖形。由于包括經濟和(hé)廢液處理(lǐ)方面等許多(duō)原因,這種工藝尚未在商用的意義上(shàng)被大(dà)量采用.更進一步說,硫酸-雙氧水(shuǐ)，不能用于鉛錫抗蝕層的蝕刻，而這種工藝不是PCB外層制(zhì)作(zuò)中的主要方法，故決大(dà)多(duō)數(shù)人(rén)很(hěn)少(shǎo)問津。 

    二.蝕刻質量及先期存在的問題 
    對蝕刻質量的基本要求就是能夠将除抗蝕層下面以外的所有(yǒu)銅層完全去除幹淨，止此而已。從嚴格意義上(shàng)講，如果要精确地界定，那(nà)麽蝕刻質量必須包括導線線寬的一緻性和(hé)側蝕程度。由于目前腐蝕液的固有(yǒu)特點，不僅向下而且對左右各方向都産生(shēng)蝕刻作(zuò)用，所以側蝕幾乎是不可(kě)避免的。 
    側蝕問題是蝕刻參數(shù)中經常被提出來(lái)討(tǎo)論的一項,它被定義為(wèi)側蝕寬度與蝕刻深度之比, 稱為(wèi)蝕刻因子。在印刷電(diàn)路工業中，它的變化範圍很(hěn)寬泛，從1：1到1：5。顯然，小(xiǎo)的側蝕度或低(dī)的蝕刻因子是最令人(rén)滿意的。 
    蝕刻設備的結構及不同成分的蝕刻液都會(huì)對蝕刻因子或側蝕度産生(shēng)影(yǐng)響，或者用樂觀的話(huà)來(lái)說，可(kě)以對其進行(xíng)控制(zhì)。采用某些(xiē)添加劑可(kě)以降低(dī)側蝕度。這些(xiē)添加劑的化學成分一般屬于商業秘密，各自的研制(zhì)者是不向外界透露的。 
    從許多(duō)方面看，蝕刻質量的好壞，早在印制(zhì)闆進入蝕刻機之前就已經存在了。因為(wèi)印制(zhì)電(diàn)路加工的各個(gè)工序或工藝之間(jiān)存在着非常緊密的內(nèi)部聯系，沒有(yǒu)一種不受其它工序影(yǐng)響又不影(yǐng)響其它工藝的工序。許多(duō)被認定是蝕刻質量的問題，實際上(shàng)在去膜甚至更以前的工藝中已經存在了。 
    對外層圖形的蝕刻工藝來(lái)說，由于它所體(tǐ)現的“倒溪”現像比絕大(dà)多(duō)數(shù)印制(zhì)闆工藝都突出，所以許多(duō)問題最後都反映在它上(shàng)面。同時(shí)，這也是由于蝕刻是自貼膜，感光開(kāi)始的一個(gè)長系列工藝中的最後一環，之後，外層圖形即轉移成功了。環節越多(duō)，出現問題的可(kě)能性就越大(dà)。這可(kě)以看成是印制(zhì)電(diàn)路生(shēng)産過程中的一個(gè)很(hěn)特殊的方面。 
    從理(lǐ)論上(shàng)講，印制(zhì)電(diàn)路進入到蝕刻階段後，在圖形電(diàn)鍍法加工印制(zhì)電(diàn)路的工藝中，理(lǐ)想狀态應該是:電(diàn)鍍後的銅和(hé)錫或銅和(hé)鉛錫的厚度總和(hé)不應超過耐電(diàn)鍍感光膜的厚度,使電(diàn)鍍圖形完全被膜兩側的“牆”擋住并嵌在裏面。然而,現實生(shēng)産中，全世界的印制(zhì)電(diàn)路闆在電(diàn)鍍後，鍍層圖形都要大(dà)大(dà)厚于感光圖形。在電(diàn)鍍銅和(hé)鉛錫的過程中，由于鍍層高(gāo)度超過了感光膜，便産生(shēng)橫向堆積的趨勢，問題便由此産生(shēng)。在線條上(shàng)方覆蓋着的錫或鉛錫抗蝕層向兩側延伸，形成了“沿”，把小(xiǎo)部分感光膜蓋在了“沿”下面。 
    錫或鉛錫形成的“沿”使得(de)在去膜時(shí)無法将感光膜徹底去除幹淨，留下一小(xiǎo)部分“殘膠”在“沿”的下面。“殘膠”或“殘膜”留在了抗蝕劑“沿”的下面，将造成不完全的蝕刻。線條在蝕刻後兩側形成“銅根”，銅根使線間(jiān)距變窄，造成印制(zhì)闆不符合甲方要求，甚至可(kě)能被拒收。由于拒收便會(huì)使PCB的生(shēng)産成本大(dà)大(dà)增加。 
    另外，在許多(duō)時(shí)候，由于反應而形成溶解，在印制(zhì)電(diàn)路工業中,殘膜和(hé)銅還(hái)可(kě)能在腐蝕液中形成堆積并堵在腐蝕機的噴嘴處和(hé)耐酸泵裏，不得(de)不停機處理(lǐ)和(hé)清潔，而影(yǐng)響了工作(zuò)效率。 

    三.設備調整及與腐蝕溶液的相互作(zuò)用關系 
    在印制(zhì)電(diàn)路加工中，氨性蝕刻是一個(gè)較為(wèi)精細和(hé)複雜的化學反應過程。反過來(lái)說它又是一個(gè)易于進行(xíng)的工作(zuò)。一旦工藝上(shàng)調通(tōng)，就可(kě)以連續進行(xíng)生(shēng)産。關鍵是一旦開(kāi)機就需保持連續工作(zuò)狀态,不宜幹幹停停。蝕刻工藝在極大(dà)的程度上(shàng)依賴設備的良好工作(zuò)狀态。就目前來(lái)講，無論使用何種蝕刻液，必須使用高(gāo)壓噴淋，而且為(wèi)了獲得(de)較整齊的線條側邊和(hé)高(gāo)質量的蝕刻效果，必須嚴格選擇噴嘴的結構和(hé)噴淋方式。 
    為(wèi)得(de)到良好的側面效果,出現了許多(duō)不同的理(lǐ)論,形成不同的設計(jì)方式和(hé)設備結構。這些(xiē)理(lǐ)論往往是大(dà)相徑庭的。但(dàn)是所有(yǒu)有(yǒu)關蝕刻的理(lǐ)論都承認這樣一條最基本的原則，即盡量快地讓金屬表面不斷的接觸新鮮的蝕刻液。對蝕刻過程所進行(xíng)的化學機理(lǐ)分析也證實了上(shàng)述觀點。在氨性蝕刻中，假定所有(yǒu)其它參數(shù)不變，那(nà)麽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(zuò)用,其目的主要有(yǒu)兩個(gè)：一是沖掉剛剛産生(shēng)的銅離子;二是不斷提供進行(xíng)反應所需要的氨(NH3)。 
    在印制(zhì)電(diàn)路工業的傳統知識裏,特别是印制(zhì)電(diàn)路原料的供應商們,大(dà)家(jiā)公認,氨性蝕刻液中的一價銅離子含量越低(dī)，反應速度就越快.這已由經驗所證實。事實上(shàng)，許多(duō)的氨性蝕刻液産品都含有(yǒu)一價銅離子的特殊配位基(一些(xiē)複雜的溶劑)，其作(zuò)用是降低(dī)一價銅離子(這些(xiē)即是他們的産品具有(yǒu)高(gāo)反應能力的技(jì)術(shù)秘訣 ),可(kě)見一價銅離子的影(yǐng)響是不小(xiǎo)的。将一價銅由5000ppm降至50ppm，蝕刻速率會(huì)提高(gāo)一倍以上(shàng)。 
    由于蝕刻反應過程中生(shēng)成大(dà)量的一價銅離子，又由于一價銅離子總是與氨的絡合基緊緊的結合在一起,所以保持其含量近于零是十分困難的。通(tōng)過大(dà)氣中氧的作(zuò)用将一價銅轉換成二價銅可(kě)以去除一價銅。用噴淋的方式可(kě)以達到上(shàng)述目的。 
    這就是要将空(kōng)氣通(tōng)入蝕刻箱的一個(gè)功能性的原因。但(dàn)是如果空(kōng)氣太多(duō)，又會(huì)加速溶液中的氨損失而使PH值下降，其結果仍使蝕刻速率降低(dī)。氨在溶液中也是需要加以控制(zhì)的變化量。一些(xiē)用戶采用将純氨通(tōng)入蝕刻儲液槽的做(zuò)法。這樣做(zuò)必須加一套PH計(jì)控制(zhì)系統。當自動測得(de)的PH結果低(dī)于給定值時(shí)，溶液便會(huì)自動進行(xíng)添加。 
    在與此相關的化學蝕刻(亦稱之為(wèi)光化學蝕刻或PCH)領域中,研究工作(zuò)已經開(kāi)始，并達到了蝕刻機結構設計(jì)的階段。在這種方法中,所使用的溶液為(wèi)二價銅，不是氨-銅蝕刻。它将有(yǒu)可(kě)能被用在印制(zhì)電(diàn)路工業中。在PCH工業中，蝕刻銅箔的典型厚度為(wèi)5到10密耳(mils)，有(yǒu)些(xiē)情況下厚度則相當大(dà)。它對蝕刻參量的要求經常比PCB工業中的更為(wèi)苛刻。 

    四.關于上(shàng)下闆面,導入邊與後入邊蝕刻狀态不同的問題 
    大(dà)量的涉及蝕刻質量方面的問題都集中在上(shàng)闆面上(shàng)被蝕刻的部分。了解這一點是十分重要的。這些(xiē)問題來(lái)自印制(zhì)電(diàn)路闆的上(shàng)闆面蝕刻劑所産生(shēng)的膠狀闆結物的影(yǐng)響。膠狀闆結物堆積在銅表面上(shàng)，一方面影(yǐng)響了噴射力，另一方面阻擋了新鮮蝕刻液的補充，造成了蝕刻速度的降低(dī)。正是由于膠狀闆結物的形成和(hé)堆積使得(de)闆子的上(shàng)下面圖形的蝕刻程度不同。這也使得(de)在蝕刻機中闆子先進入的部分容易蝕刻的徹底或容易造成過腐蝕，因為(wèi)那(nà)時(shí)堆積尚未形成，蝕刻速度較快。反之，闆子後進入的部分進入時(shí)堆積已形成，并減慢其蝕刻速度。 

    五.蝕刻設備的維護 
    蝕刻設備維護的最關鍵因素就是要保證噴嘴的清潔，無阻塞物而使噴射通(tōng)暢。阻塞物或結渣會(huì)在噴射壓力作(zuò)用下沖擊版面。假如噴嘴不潔，那(nà)麽會(huì)造成蝕刻不均勻而使整塊PCB報廢。 
    明(míng)顯地，設備的維護就是更換破損件和(hé)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(wèi)關鍵的問題是保持蝕刻機不存在結渣，在許多(duō)情況下都會(huì)出現結渣堆積.結渣堆積過多(duō)，甚至會(huì)對蝕刻液的化學平衡産生(shēng)影(yǐng)響。同樣,如果蝕刻液出現過量的化學不平衡，結渣就會(huì)愈加嚴重。結渣堆積的問題怎麽強調都不過分。一旦蝕刻液突然出現大(dà)量結渣的情況，通(tōng)常是一個(gè)信号，即溶液的平衡出現問題。這就應該用較強的鹽酸作(zuò)适當地清潔或對溶液進行(xíng)補加。 
    殘膜也可(kě)以産生(shēng)結渣物，極少(shǎo)量的殘膜溶于蝕刻液中，然後形成銅鹽沉澱。殘膜所形成的結渣說明(míng)前道(dào)去膜工序不徹底。去膜不良往往是邊緣膜與過電(diàn)鍍共同造成的結果。