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1、前言

隨著PCB工業(yè)的發(fā)展,各種導(dǎo)線之阻抗要求也越來(lái)越高，這必然要求導(dǎo)線的寬度控制更加嚴(yán)格。為了使榮信公司的工程管理人員，尤其是負(fù)責(zé)蝕刻工序的工藝工程人員對(duì)蝕刻工序有一定的了解，故撰寫(xiě)此份培訓(xùn)教材，以期有助于生產(chǎn)管理與監(jiān)控，從面提高我司的產(chǎn)品品質(zhì)。(本教材以設(shè)備為基礎(chǔ)對(duì)蝕刻工藝進(jìn)行講解)

2.基礎(chǔ)知識(shí)

1）蝕刻的目的

蝕刻的目的即是將前工序所做出有圖形的線路板上的未受保護(hù)的非導(dǎo)體部分銅蝕刻去，形成線路。

蝕刻有內(nèi)層蝕刻和外層蝕刻，內(nèi)層采用酸性蝕刻，濕膜或干膜為抗蝕劑；外層采用堿性蝕刻，錫鉛為抗蝕劑。

2）蝕刻反應(yīng)基本原理

一.酸性氯化銅蝕刻液 

1.特性

－蝕刻速度容易控制，蝕刻液在穩(wěn)定狀態(tài)下能達(dá)到高的蝕刻質(zhì)量

－蝕銅量大

－蝕刻液易再生和回收

2.主要反應(yīng)原理

蝕刻過(guò)程中，CU2+有氧化性，將板面銅氧化成CU+：Cu+  CuCl2→2CuCl

生成的CuCl不溶于水，在過(guò)量的氯離子存在下，生成可溶性的絡(luò)離子：

2CuCl＋4Cl-→2[CuCl3]2-

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，CU+越來(lái)越多，蝕銅能力下降，需對(duì)蝕刻液再生，使CU+變成CU2+。再生的方法有以下幾種:通氧氣或壓縮空氣再生（反應(yīng)速率低)，氯氣再生(反應(yīng)快，但有毒)，電解再生（可直接回收銅，但需電解再生的設(shè)備和較高的電能消耗），次氯酸鈉再生（成本高，本身較危險(xiǎn)），雙氧水再生（反應(yīng)速率快，易控制).

反應(yīng)：2CuCl+2HCl+H2O2→2CuCl2+2H2O

自動(dòng)控制添加系統(tǒng)：通過(guò)控制蝕刻速度，雙氧水和鹽酸的添加比例，比重和液位，溫度等項(xiàng)目，達(dá)到自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)。

我司采用此種再生方法。

二.堿性氨類(lèi)蝕刻液  

1.特性

－不與錫鉛發(fā)生任何反應(yīng)

—易再生，成本低，易回收

－蝕銅速度快，側(cè)蝕小，溶銅能力高，蝕刻速率易控制

2.主要反應(yīng)原理  

Cu+Cu(NH3)4Cl2→2Cu(NH3)2Cl

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

以上兩反應(yīng)重復(fù)進(jìn)行,因此需要有良好抽氣,使噴淋形成 負(fù)壓,使空氣中的氧氣與藥液充分混合,從而利于蝕刻反應(yīng)進(jìn)行。注意抽氣不可過(guò)大,否則造成氨水消耗量的增大.

二價(jià)銅離子在堿性環(huán)境下極易生成氫氧化銅沉淀，需加入過(guò)量的氨水，使之生成穩(wěn)定的氨銅錯(cuò)離子團(tuán)；過(guò)量的氨使反應(yīng)生成的不穩(wěn)定Cu(NH3)2Cl 再生成穩(wěn)定的具有氧化性的Cu(NH3)4Cl2，使反應(yīng)不斷的進(jìn)行。

生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制通過(guò)監(jiān)測(cè)PH值，比重，進(jìn)行補(bǔ)加氨水和新液，而達(dá)到連續(xù)生產(chǎn)的目的。

3）蝕刻工藝流程及原理

一.酸性氯化銅蝕刻 

1.工藝流程

2.工藝原理

—顯影

定義：利用碳酸鈉的弱堿性將干膜上未經(jīng)紫外線輻射的部分用碳酸鈉溶液溶解，已經(jīng)紫外線輻射而發(fā)生聚合反應(yīng)的部分保留。

—原理

CO3-2  + ResistCOOH        HCO3-  + Resist COO-

CO3-2主要為Na2CO3 或K2CO3   

ResistTOOH為干膜及油墨中反應(yīng)官能基團(tuán)，利用CO3-2與阻劑中羧基（COOH）進(jìn)行酸堿中和反應(yīng)，形成COO-和H CO3- ，使阻劑形成陰離子團(tuán)而剝離。  

－蝕刻

定義：將溶解了干膜（濕膜）而露出的銅面用酸性氯化銅溶解腐蝕，此過(guò)程叫蝕刻。

影響因素：主要是溶液中Cl- 、Cu+的含量，溶液的溫度及Cu2+的濃度等。

－褪膜

藥水：NaOH  3+/-0.5%

除泡劑0.1～0.2％

定義：將線路上的保護(hù)膜去掉，露出已加工好的線路。影響褪膜效果因素：褪膜溫度及速度，藥水濃度

注意：褪膜溫度低，速度慢，藥水濃度低，會(huì)導(dǎo)致褪膜不凈；藥水濃度高，會(huì)導(dǎo)致板面氧化。

褪膜段噴嘴要及時(shí)清洗，防止碎片堵塞噴嘴，影響褪膜質(zhì)量

二.堿性蝕刻 

1.工藝流程

注：整孔工序僅適用于沉金制板

2.工藝原理

－褪膜

定義：用褪菲林液將線路板面上蓋住的菲林褪去,露出未經(jīng)線路加工的銅面.經(jīng)電鍍工序后的干膜在堿性褪膜液下溶解或部分成片狀脫落,我司使用的是3% ±0.5%氫氧化鈉溶液.為維持藥液的效果,需注意過(guò)濾的效果,及時(shí)過(guò)濾去片狀的干膜碎,防止堵塞噴嘴. 

注：內(nèi)外層褪膜段使用藥水及控制相同，但外層干膜厚為1.5mil左右,經(jīng)圖形電鍍后，銅厚和錫厚之和通常超過(guò)1.5mil，需控制圖形電鍍電流參數(shù)防止夾膜，同時(shí)控制褪膜速度以防褪膜不凈而短路。

－蝕刻

定義: 用蝕板液將多余的底銅蝕去剩下已加厚的線路。

控制：隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行,藥液中氨水不斷降低,銅離子不斷增加,為保持蝕銅速度,必需維持藥水的穩(wěn)定.我司通過(guò)PH計(jì),比重計(jì)控制氨水和新液的自動(dòng)添加,當(dāng)PH值低時(shí)添加氨水;當(dāng)比重高時(shí)添加新液.為使之蝕銅反應(yīng)進(jìn)行更為迅速，蝕液中多加有助劑，例如：

a.加速劑(Accelerator) 可促使上述氧化反應(yīng)更為快速，并防止亞銅錯(cuò)離子的沉淀。

b.護(hù)岸劑(Bankingagent) 減少側(cè)蝕。  

c.壓抑劑(Suppressor)抑制氨在高溫下的飛散，抑制銅  的沉淀加速蝕銅的氧化反應(yīng)。

－新液洗

使用不含有銅離子的NH3.H2O, NH4Cl溶液清除板面殘留的藥液以及反應(yīng)生成物Cu(NH3)2Cl ,其極不穩(wěn)定，易生成沉淀。

－整孔

除去非鍍通孔中的在沉銅工序所吸附上去的鈀離子, 以防在沉金工序沉上金.

－褪錫

使用含銅保護(hù)劑的主要成分為硝酸的藥液，褪去線路上的錫鉛層,露出線路

4）名詞解釋

水池效應(yīng)

在蝕刻過(guò)程中，線路板水平通過(guò)蝕刻機(jī)時(shí)，因重力作用在板上面新鮮藥液被積水阻撓,無(wú)法有效和銅面反應(yīng)，稱(chēng)之水池效應(yīng)。而下面則無(wú)此現(xiàn)象。

蝕刻因子

蝕刻液在蝕刻過(guò)程中，不僅向下而且對(duì)左右各方向都產(chǎn)生蝕刻作用，側(cè)蝕是不可避免的。側(cè)蝕寬度與蝕刻深度之比稱(chēng)之為蝕刻因子。

Etching Factor(蝕刻因子)＝D/C

Undercut=(A-B)/2

5）設(shè)備

－內(nèi)外層均采用水平線設(shè)備。

－對(duì)于堿性蝕刻，為增加蝕刻速度，需提高溫度到46℃以上，因而有大量的氨臭味必須要有適當(dāng)?shù)某轱L(fēng)；抽風(fēng)太大則將氨氣抽走比較浪費(fèi)，在抽風(fēng)管內(nèi)增加節(jié)流閥，控制抽風(fēng)的強(qiáng)度。

－無(wú)論何種蝕刻液，都需采用高壓噴淋；為獲得較整齊的線條側(cè)邊和高質(zhì)量的蝕刻效果，須嚴(yán)格選擇噴嘴的形狀和噴淋方式。但不論如何選擇，都遵循一基本理論，那就是以最快速度的讓欲蝕刻銅表面接觸愈多新鮮的蝕刻液。

－噴嘴的形狀有錐形（空錐形，實(shí)錐形），扇形等，我司采用的是扇形噴嘴。與錐形噴嘴相比，最佳的設(shè)計(jì)是扇形噴嘴。注意集流管的安裝角度，能對(duì)進(jìn)入蝕刻槽內(nèi)的制板進(jìn)行30度噴射。第二組集流管與第一組比有所不同，因噴淋液互相交叉時(shí)會(huì)降低噴淋的效果，盡量避免出現(xiàn)此種情況。

－蝕刻槽內(nèi)集流管的安裝與前進(jìn)方向比有橫置，豎置和斜置，我司采用的安裝方式有兩種方式（見(jiàn)下圖）。但擺動(dòng)方向均垂直于運(yùn)輸方向。

－蝕刻品質(zhì)往往因水池效應(yīng)(pudding)而受限, 這也是為何板

子前端部份往往有overetch現(xiàn)象,   所以設(shè)備設(shè)計(jì)上就有如下

考慮: 

a.板子較細(xì)線路面朝下,較粗線路面朝上.

b.噴嘴上,下噴液壓力調(diào)整以為補(bǔ)償,依實(shí)際作業(yè)結(jié)果來(lái)調(diào)整其差異.

c.先進(jìn)的蝕刻機(jī)可控制當(dāng)板子進(jìn)入蝕刻段時(shí),前面幾組噴嘴會(huì)停止噴灑幾秒的時(shí)間. 

3.技術(shù)提升部分

1）生產(chǎn)線簡(jiǎn)介

1.內(nèi)層酸性蝕刻

沖、蝕板、褪菲林生產(chǎn)線機(jī)器運(yùn)行參數(shù)

沖板、褪膜、褪菲林換藥和補(bǔ)藥標(biāo)準(zhǔn)

2.外層堿性蝕刻

A)使用的是TCM退膜、蝕刻機(jī)，設(shè)備性能參數(shù)：

有效寬度：620mm

行轆速度：0~8m/min

壓力：2.5kg/cm2

安全性：機(jī)械、電氣部分有良好保護(hù)，有緊急開(kāi)關(guān)。

B).操作條件

2）生產(chǎn)線維護(hù)

設(shè)備的日常保養(yǎng)

A.不使蝕刻液有sludge產(chǎn)生(淺藍(lán)色一價(jià)銅污泥),當(dāng)結(jié)渣越多，會(huì)影響蝕刻液的化學(xué)平衡，蝕刻速率迅速下降。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.隨時(shí)保持噴嘴不被堵塞.(過(guò)濾系統(tǒng)要保持良好狀態(tài)），每周保養(yǎng)時(shí)檢查噴嘴，若堵塞則立即清除堵塞物。

C.及時(shí)更換破損的噴嘴和配件

D.PH計(jì)，比重感應(yīng)器要定期校驗(yàn). 

3）生產(chǎn)注意事項(xiàng)

1.嚴(yán)格控制退膜液的濃度,以保證干膜以合適的速度和大小退去,且不易堵塞噴嘴。

2.退膜后水洗壓力應(yīng)大于20PSI，以便除去鍍層與底銅間的殘膜和附在板面上的殘膜。

3.蝕刻藥水壓力應(yīng)在18 ~30PSI,過(guò)低則蝕刻不盡,過(guò)高則易打斷藥水的保護(hù)膜,造成蝕刻過(guò)度。

4）影響蝕刻速率因素分析

一.酸性氯化銅溶液

影響蝕刻速率的因素有很多，主要是Cl- ，Cu+含量，溶液溫度及Cu2+濃度。

1.Cl-含量的影響

在氯化銅蝕刻液中Cl-濃度較多時(shí)，Cu2+和Cu+實(shí)際上是以絡(luò)離子的形式存在（[Cu2+Cl4]2－，[Cu+Cl3]2- ），所以蝕刻液的配制和再生都需要Cl-參加反應(yīng)，下表為氯離子溶度與蝕刻速率關(guān)系。

從圖中可以看出：

－當(dāng)鹽酸溶度升高時(shí)，蝕刻時(shí)間減少，但超過(guò)6 N酸其鹽酸，揮發(fā)量大，且對(duì)造成對(duì)設(shè)備的腐蝕，并隨著酸濃度的增加，氯化銅的溶解度迅速降低。

在氯化銅溶液中發(fā)生銅的蝕刻反應(yīng)時(shí)，生成的CuCl2不易溶于水，則在銅的表面形成一層氯化亞銅膜，這種膜能阻止反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，過(guò)量的Cu-能與Cu2Cl2結(jié)合形成可溶性的絡(luò)離子[Cu1+Cl3]2-，從銅表面上溶解下來(lái)，從而提高蝕刻速率。

2.Cu+含量的影響

根據(jù)蝕刻反應(yīng)，隨著銅的蝕刻就會(huì)形成一價(jià)銅離子，較微量的Cu+會(huì)顯著地降低蝕刻速率。

根據(jù)奈恩斯物方程：

E－指定濃度下的電極電位   

n－ 得失電子數(shù)

[ Cu2+ ]－  二價(jià)銅離子濃度   

[ Cu+]－    一價(jià)銅離子濃度

Cu+濃度與氧化--還原電位之間的關(guān)系

溶液氧化一還原反應(yīng)位與蝕刻速率的關(guān)系

從圖中可以看出，隨著Cu+濃度的不斷升高，氧化還原電位不斷下降。當(dāng)氧化還原電位在530mu時(shí)，Cu1+濃度低于0.4g/l能提供最理想的高的和幾乎恒定的蝕刻速率。

3.Cu2+含量的影響

溶液中Cu2+含量對(duì)蝕刻速率的關(guān)系：

當(dāng)Cu2+低時(shí)，反應(yīng)較緩慢，但當(dāng)Cu2+達(dá)到一定濃度時(shí)也會(huì)反應(yīng)速率降低。

4.溫度對(duì)蝕刻速率的影響

隨著溫度提高蝕刻時(shí)間越短，一般在40-55℃間,當(dāng)溫度高時(shí)會(huì)引起HCl過(guò)多地?fù)]發(fā)造成溶液比例失調(diào),另溫度較高也會(huì)引起機(jī)器損傷及阻蝕層的破壞。

二.堿性氨類(lèi)蝕刻液

蝕刻液的PH值，比重（ Cu2+的濃度），氯化氨濃度以及蝕刻液的溫度等對(duì)蝕刻速度均有影響。

1.Cu2+含量的影響

－Cu2+過(guò)低，蝕刻速率低，且溶液控制困難；

－ Cu2+過(guò)高，溶液不穩(wěn)定，易生成沉淀；

－ 須控制Cu2+濃度在115~135g/l，連續(xù)生產(chǎn)則通過(guò)比重來(lái)控制。

2.溶液PH值的影響  

－PH值過(guò)低，對(duì)金屬抗蝕層不利；且溶液中的銅不能完全被絡(luò)合成銅氨絡(luò)離子，溶液要出現(xiàn)沉淀，并在槽底形成泥狀沉淀。這些沉淀能結(jié)在加熱器上形成硬皮，可能損壞加熱器，還會(huì)堵塞泵或噴嘴，對(duì)蝕刻造成困難。   

－PH值過(guò)高，溶液中氨過(guò)飽和，游離到空氣中污染環(huán)境；且使側(cè)蝕增大。

3.氯化氨含量的影響

－從前面反應(yīng)可知，Cu(NH3)2Cl的再生需要過(guò)量的NH3和NH4Cl存在。若氯化氨過(guò)低，Cu(NH3)2Cl得不到再生，蝕刻速率會(huì)降低。

－氯化氨過(guò)高，引起抗蝕層被浸蝕。

4.溫度的影響

－蝕刻速率會(huì)隨著溫度的升高而加快；

－蝕刻溫度過(guò)低，蝕刻速度會(huì)降低，則會(huì)增大側(cè)蝕量，影響蝕刻質(zhì)量。

－蝕刻溫度高，蝕刻速度明顯增大，但氨氣的揮發(fā)量液增大，既污染環(huán)境，有增加成本。

5.噴液壓力的影響 

－蝕刻藥水壓力應(yīng)在18 ~30PSI,過(guò)低則蝕刻不盡,過(guò)高則易打斷藥水的保護(hù)膜,造成蝕刻過(guò)度。

5）蝕刻能力提高

一.減少側(cè)蝕和突沿，提高蝕刻因子。

側(cè)蝕造成突沿，側(cè)蝕和突沿降低，蝕刻因子會(huì)提高；突沿過(guò)度會(huì)造成導(dǎo)線短路，因?yàn)橥谎貢?huì)突然斷裂下來(lái)，在導(dǎo)線間形成電的連接。嚴(yán)重的側(cè)蝕則使精細(xì)導(dǎo)線的制作成為不可能。

影響側(cè)蝕的因素及改善方法

蝕刻方式：浸泡和鼓泡式會(huì)造成較大的側(cè)蝕，潑濺和噴淋式側(cè)蝕較小，尤其是噴淋式側(cè)蝕最小。

蝕刻液種類(lèi)：不同的蝕刻液化學(xué)組分不同，蝕刻速度不同，側(cè)蝕也不同。通常，堿性氯化銅蝕刻液比酸性氯化銅蝕刻液蝕刻因子大。藥水供應(yīng)商通常會(huì)添加輔助劑來(lái)降低側(cè)蝕，不同的供應(yīng)商添加的輔助劑不同，蝕刻因子也不同。

蝕刻運(yùn)輸速率：運(yùn)輸速率慢會(huì)造成嚴(yán)重的側(cè)蝕。運(yùn)輸速率快，板在蝕刻液中停留的時(shí)間越短，側(cè)蝕量也越小。生產(chǎn)過(guò)程中，盡量提高蝕刻的運(yùn)輸速度。    蝕刻液的PH值：堿性蝕刻液，PH值較高時(shí)，側(cè)蝕增大。一般控制PH值在8.5以下。

蝕刻液的比重：堿性蝕刻液的比重太低，會(huì)加重側(cè)蝕，選擇高銅濃度的蝕刻液對(duì)減少側(cè)蝕是有利的。       

底銅厚度：底銅厚度越大，板需在蝕刻液中停留的時(shí)間也越長(zhǎng)，側(cè)蝕就越大。制作密集細(xì)小線路的制板，盡量使用低厚度的銅箔，減小全板鍍銅厚度。

二.提高板與板之間蝕刻速率的一致性

在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，蝕刻速率越一致，越能獲得蝕刻均勻的板，生產(chǎn)越容易控制。因此必須保證溶液始終保持最佳狀態(tài)。

－選擇易再生，蝕刻速率易控制的藥水；

－選擇能提供恒定操作條件的自動(dòng)控制的工藝和設(shè)備

－通過(guò)自動(dòng)添加來(lái)保證溶液的穩(wěn)定

－通過(guò)噴淋系統(tǒng)或噴嘴的擺動(dòng)來(lái)保證溶液流量的均勻性

三.提高整個(gè)板面蝕刻速率的均勻性。

板的上下兩面以及板面各個(gè)部位蝕刻均勻性有由板表面受到蝕刻液流量的均勻性決定的。       

－由于水池效應(yīng)的影響，板下面蝕刻速率高于上面，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況調(diào)整不同位置噴液壓力達(dá)到目的。生產(chǎn)操作中，需定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)校。

－板邊緣比板中間蝕刻速率快，也可通過(guò)調(diào)整壓力解決此問(wèn)題，另外使噴淋系統(tǒng)擺動(dòng)也是有效的。

常見(jiàn)問(wèn)題及改善

6）工序潛力與展望

隨著未來(lái)PCB的發(fā)展，如撓性板、密的線路板的生產(chǎn)將采取相應(yīng)的措施，比如可將鉆孔后之板適當(dāng)蝕去1/3到1/2的底銅，再做PTH全板，Dryfilm、圖形電鍍即可減少側(cè)蝕，從而保證線寬足夠。

7）生產(chǎn)安全與環(huán)境保護(hù)

因蝕刻工序使用了強(qiáng)堿(如NaOH)、氨水等化學(xué)品，生產(chǎn)過(guò)程中有較大氣味產(chǎn)生，同時(shí)產(chǎn)生大量廢液、廢渣，故應(yīng)加強(qiáng)抽風(fēng)以及及時(shí)將廢液、廢渣運(yùn)走，同時(shí)可進(jìn)行蝕刻液循環(huán)利用。