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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蝕刻工序有一定的了解，故撰寫此份培訓(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)對蝕刻工藝進(jìn)行講解)

2.基礎(chǔ)知識

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+越來越多，蝕銅能力下降，需對蝕刻液再生，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），雙氧水再生（反應(yīng)速率快，易控制).

反應(yīng)：2CuCl+2HCl+H2O2→2CuCl2+2H2O

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

我司采用此種再生方法。

二.堿性氨類蝕刻液  

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。注意抽氣不可過大,否則造成氨水消耗量的增大.

二價銅離子在堿性環(huán)境下極易生成氫氧化銅沉淀，需加入過量的氨水，使之生成穩(wěn)定的氨銅錯離子團(tuán)；過量的氨使反應(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)過程中自動控制通過監(jiān)測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，會導(dǎo)致褪膜不凈；藥水濃度高，會導(dǎo)致板面氧化。

褪膜段噴嘴要及時清洗，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,需注意過濾的效果,及時過濾去片狀的干膜碎,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1.5mil，需控制圖形電鍍電流參數(shù)防止夾膜，同時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PH計(jì),比重計(jì)控制氨水和新液的自動添加,當(dāng)PH值低時添加氨水;當(dāng)比重高時添加新液.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)

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

蝕刻因子

蝕刻液在蝕刻過程中，不僅向下而且對左右各方向都產(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會降低噴淋的效果，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（見下圖）。但擺動方向均垂直于運(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,前面幾組噴嘴會停止噴灑幾秒的時間. 

3.技術(shù)提升部分

1）生產(chǎn)線簡介

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)色一價銅污泥),當(dāng)結(jié)渣越多，會影響蝕刻液的化學(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.隨時保持噴嘴不被堵塞.(過濾系統(tǒng)要保持良好狀態(tài)），每周保養(yǎng)時檢查噴嘴，若堵塞則立即清除堵塞物。

C.及時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,過低則蝕刻不盡,過高則易打斷藥水的保護(hù)膜,造成蝕刻過度。

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，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，蝕刻時間減少，但超過6 N酸其鹽酸，揮發(fā)量大，且對造成對設(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，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，從而提高蝕刻速率。

2.Cu+含量的影響

根據(jù)蝕刻反應(yīng)，隨著銅的蝕刻就會形成一價銅離子，較微量的Cu+會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+ ]－  二價銅離子濃度   

[ Cu+]－    一價銅離子濃度

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，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+含量對蝕刻速率的關(guān)系：

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

4.溫度對蝕刻速率的影響

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

二.堿性氨類蝕刻液

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蝕刻速度均有影響。

1.Cu2+含量的影響

－Cu2+過低，蝕刻速率低，且溶液控制困難；

－ Cu2+過高，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)則通過比重來控制。

2.溶液PH值的影響  

－PH值過低，對金屬抗蝕層不利；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，還會堵塞泵或噴嘴，對蝕刻造成困難。   

－PH值過高，溶液中氨過飽和，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的再生需要過量的NH3和NH4Cl存在。若氯化氨過低，Cu(NH3)2Cl得不到再生，蝕刻速率會降低。

－氯化氨過高，引起抗蝕層被浸蝕。

4.溫度的影響

－蝕刻速率會隨著溫度的升高而加快；

－蝕刻溫度過低，蝕刻速度會降低，則會增大側(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,過低則蝕刻不盡,過高則易打斷藥水的保護(hù)膜,造成蝕刻過度。

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，蝕刻因子會提高；突沿過度會造成導(dǎo)線短路，因?yàn)橥谎貢蝗粩嗔严聛恚趯?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：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)商通常會添加輔助劑來降低側(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間越短，側(cè)蝕量也越小。生產(chǎn)過程中，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，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，會加重側(cè)蝕，選擇高銅濃度的蝕刻液對減少側(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間也越長，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控制的工藝和設(shè)備

－通過自動添加來保證溶液的穩(wěn)定

－通過噴淋系統(tǒng)或噴嘴的擺動來保證溶液流量的均勻性

三.提高整個板面蝕刻速率的均勻性。

板的上下兩面以及板面各個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，需定期對設(shè)備進(jìn)行檢測和調(diào)校。

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

常見問題及改善

6）工序潛力與展望

隨著未來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)過程中有較大氣味產(chǎn)生，同時產(chǎn)生大量廢液、廢渣，故應(yīng)加強(qiáng)抽風(fēng)以及及時將廢液、廢渣運(yùn)走，同時可進(jìn)行蝕刻液循環(huán)利用。