揭秘PCB外層電路的蝕刻工藝

     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，然后用化學方式將其余的銅箔腐蝕掉,稱為蝕刻。要注意的是,這時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,其余的將形成最終所需要的電路。這種類型的圖形電鍍,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板子上都鍍銅,感光膜以外的部分僅僅是錫或鉛錫抗蝕層。這種工藝稱為“全板鍍銅工藝“。與圖形電鍍相比,全板鍍銅的最大缺點是板面各處都要鍍兩次銅而且蝕刻時還必須都把它們腐蝕掉。因此當導(dǎo)線線寬十分精細時將會產(chǎn)生一系列的問題。同時,側(cè)腐蝕會嚴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(fā)生任何化學反應(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,因此能夠重復(fù)使用。由于它的腐蝕速率較低，一般在實際生產(chǎn)中不多見,但有望用在無氯蝕刻中。有人試驗用硫酸-雙氧水做蝕刻劑來腐蝕外層圖形。由于包括經(jīng)濟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.更進一步說,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，不僅向下而且對左右各方向都產(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)常被提出來討論的一項,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最令人滿意的。

　　蝕刻設(shè)備的結(jié)構(gòu)及不同成分的蝕刻液都會對蝕刻因子或側(cè)蝕度產(chǎn)生影響，或者用樂觀的話來說，可以對其進行控制。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，早在印制板進入蝕刻機之前就已經(jīng)存在了。因為印制電路加工的各個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。許多被認定是蝕刻質(zhì)量的問題，實際上在去膜甚至更以前的工藝中已經(jīng)存在了。對外層圖形的蝕刻工藝來說，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，所以許多問題最后都反映在它上面。同時，這也是由于蝕刻是自貼膜，感光開始的一個長系列工藝中的最后一環(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)過程中的一個很特殊的方面。
從理論上講，印制電路進入到蝕刻階段后，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程中，由于鍍層高度超過了感光膜，便產(chǎn)生橫向堆積的趨勢，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。

　　錫或鉛錫形成的“沿”使得在去膜時無法將感光膜徹底去除干凈，留下一小部分“殘膠”在“沿”的下面?！皻埬z”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。由于拒收便會使PCB的生產(chǎn)成本大大增加。另外，在許多時候，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的噴嘴處和耐酸泵里，不得不停機處理和清潔，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，氨性蝕刻是一個較為精細和復(fù)雜的化學反應(yīng)過程。反過來說它又是一個易于進行的工作。一旦工藝上調(diào)通，就可以連續(xù)進行生產(chǎn)。關(guān)鍵是一旦開機就需保持連續(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)。就目前來講，無論使用何種蝕刻液，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。對蝕刻過程所進行的化學機理分析也證實了上述觀點。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）來決定。因此用新鮮溶液與蝕刻表面作用,其目的主要有兩個：一是沖掉剛剛產(chǎn)生的銅離子；二是不斷提供進行反應(yīng)所需要的氨（NH3）。

　　在印制電路工業(yè)的傳統(tǒng)知識里,特別是印制電路原料的供應(yīng)商們,大家公認,氨性蝕刻液中的一價銅離子含量越低，反應(yīng)速度就越快.這已由經(jīng)驗所證實。事實上，許多的氨性蝕刻液產(chǎn)品都含有一價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),可見一價銅離子的影響是不小的。將一價銅由5000ppm降至50ppm，蝕刻速率會提高一倍以上。

　　由于蝕刻反應(yīng)過程中生成大量的一價銅離子，又由于一價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。通過大氣中氧的作用將一價銅轉(zhuǎn)換成二價銅可以去除一價銅。用噴淋的方式可以達到上述目的。

　　這就是要將空氣通入蝕刻箱的一個功能性的原因。但是如果空氣太多，又會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液槽的做法。這樣做必須加一套PH計控制系統(tǒng)。當自動測得的PH結(jié)果低于給定值時，溶液便會自動進行添加。
在與此相關(guān)的化學蝕刻（亦稱之為光化學蝕刻或PCH）領(lǐng)域中,研究工作已經(jīng)開始，并達到了蝕刻機結(jié)構(gòu)設(shè)計的階段。在這種方法中,所使用的溶液為二價銅，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大。它對蝕刻參量的要求經(jīng)常比PCB工業(yè)中的更為苛刻。

　　有一項來自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。由于有較雄厚的項目基金支持，因此研究人員有能力從長遠意義上對蝕刻裝置的設(shè)計思想進行改變,同時研究這些改變所產(chǎn)生的效果。比如,與錐形噴嘴相比，最佳的噴嘴設(shè)計采用扇形，并且噴淋集流腔（即噴嘴擰進去的那段管子）也有一個安裝角度,能對進入蝕刻艙中工件呈30度噴射.如果不進行這樣的改變，那么集流腔上噴嘴的安裝方式會導(dǎo)致每個相鄰噴嘴的噴射角度都不是完全一致的。第二組噴嘴各自的噴淋面與第一組相對應(yīng)的略有不同。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。

　　這項研究發(fā)現(xiàn),最新的設(shè)計參數(shù)是65磅/平方英寸（即4+Bar）。每個蝕刻過程和每種實用的溶液都有一個最佳的噴射壓力的問題,而就目前來講，蝕刻艙內(nèi)噴射壓力達到30磅/平方英寸（2Bar）以上的情況微乎其微。有一個原則，即一種蝕刻溶液的密度（即比重或玻美度）越高，最佳的噴射壓力也應(yīng)越高。當然這不是單一的參數(shù)。另一個重要的參數(shù)是在溶液中控制其反應(yīng)率的相對淌度（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。了解這一點是十分重要的。這些問題來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。這也使得在蝕刻機中板子先進入的部分容易蝕刻的徹底或容易造成過腐蝕，因為那時堆積尚未形成，蝕刻速度較快。反之，板子后進入的部分進入時堆積已形成，并減慢其蝕刻速度。

　　五.蝕刻設(shè)備的維護

　　蝕刻設(shè)備維護的最關(guān)鍵因素就是要保證噴嘴的清潔，無阻塞物而使噴射的通暢。阻塞物或結(jié)渣會在噴射壓力作用下沖擊版面。假如噴嘴不潔，那么會造成蝕刻不均勻而使整塊PCB報廢。明顯地，設(shè)備的維護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不存在結(jié)渣，在許多情況下都會出現(xiàn)結(jié)渣堆積.結(jié)渣的堆積過多，甚至會對蝕刻液的化學平衡產(chǎn)生影響。同樣,如果蝕刻液出現(xiàn)過量的化學不平衡，結(jié)渣就會愈加嚴重。結(jié)渣堆積的問題怎么強調(diào)都不過分。一旦蝕刻液突然出現(xiàn)大量結(jié)渣的情況，通常是一個信號，即溶液的平衡出現(xiàn)問題。這就應(yīng)該用較強的鹽酸作適當?shù)厍鍧嵒驅(qū)θ芤哼M行補加。

　　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)渣說明前道去膜工序不徹底。去膜不良往往是邊緣膜與過電鍍共同造成的結(jié)果。