PCB部落格 - PCB板外電路的蝕刻工藝

一、概況

現時，印刷電路板加工的典型工藝採用“圖案鍍法”。 也就是說，在需要保留的電路板外層的銅箔部分，即電路的圖形部分上預鍍鉛錫抗蝕層，然後對銅箔的其餘部分進行化學腐蝕，這被稱為蝕刻。 需要注意的是，此時板上有兩層銅。 在外層蝕刻過程中，只需完全蝕刻掉一層銅，其餘的將形成最終所需的電路。 這種圖案鍍層的特徵是僅在鉛錫抗蝕劑下方存在銅層。 另一種加工方法是整個電路板鍍銅，除感光膜外的部分僅為錫或鉛錫抗蝕層。 這種工藝被稱為“全板鍍銅工藝”。 與圖案電鍍相比，全板鍍銅的缺點是銅在板上的每個地方都鍍了兩次，在蝕刻過程中必須被蝕刻掉。 囙此，當線寬非常細時，會出現一系列問題。 同時，側面腐蝕（見圖4）會嚴重影響線條的均勻性。

在印刷電路板外電路的加工技術中，還有另一種方法，即使用感光膜代替金屬塗層作為抗蝕層。 這種方法與內層蝕刻工藝非常相似，可以參考內層制造技術中的蝕刻。 現時，錫或鉛錫是一種常用的抗蝕劑層，用於氨蝕刻劑的蝕刻過程。 氨蝕刻劑是一種常用的化學液體，它與錫或鉛錫沒有任何化學反應。 氨蝕刻劑主要是指氨水/氯化銨蝕刻液。 此外，市場上也有氨水/硫酸銨蝕刻溶液。 硫酸鹽基蝕刻溶液，使用後，其中的銅可以通過電解分離，囙此可以重複使用。 由於其腐蝕速率低，在實際生產中通常很少見，但預計將用於無氯蝕刻。 有些人試圖使用硫酸過氧化氫作為蝕刻劑來腐蝕外層圖案。 由於經濟和廢液處理等諸多原因，該工藝尚未在商業意義上得到廣泛採用。 此外，硫酸過氧化氫不能用於蝕刻鉛錫抗蝕劑，而且這個工藝不是PCB，它是生產電路板外層的主要方法，所以大多數人很少關心它。

2.蝕刻質量和早期問題

蝕刻質量的基本要求是能够完全去除除抗蝕劑層下方以外的所有銅層，僅此而已。嚴格來說，如果要定義接地，蝕刻質量必須包括線寬的均勻性和側面蝕刻的程度。 由於當前蝕刻劑的固有特性，它不僅向下蝕刻，而且在所有方向上蝕刻，囙此側面蝕刻幾乎是不可避免的。 底切問題是經常討論的蝕刻參數之一，其定義為底切寬度與蝕刻深度的比值，稱為蝕刻因數。 在印刷電路行業，它差异很大，從1:1到1:5。 顯然，小的底切程度或低的蝕刻因數是令人滿意的。 蝕刻設備的結構和蝕刻溶液的不同成分會對蝕刻因數或側面蝕刻程度產生影響，或者樂觀地說，可以控制。 使用某些添加劑可以降低側面蝕刻的程度。 這些添加劑的化學成分通常是商業機密，其開發人員不會向外界披露。 至於蝕刻設備的結構，以下章節將專門介紹。在許多方面，蝕刻質量早在印刷電路板進入蝕刻機之前就存在了。 因為印刷電路加工的各種過程或過程之間存在非常密切的內部聯系，所以沒有一個過程不受其他過程的影響，也不影響其他過程。 許多被確定為蝕刻質量的問題實際上早在剝離過程中就存在了。 對於外層圖案的蝕刻工藝，它反映了許多問題，因為它所反映的“逆流”現象比大多數印刷電路板工藝更為突出。 同時，這也是因為蝕刻是從自粘薄膜和感光開始的一系列漫長過程的一部分，之後外層圖案被成功轉移。 連結越多，出現問題的可能性就越大。 這可以看作是印刷電路生產過程中一個非常特殊的方面。 從理論上講，印刷電路進入蝕刻階段後，圖案的橫截面狀態應如圖2所示。

在通過圖案電鍍加工印刷電路的過程中，理想的狀態應該是：電鍍後銅和錫或銅和鉛和錫的厚度之和不應超過電鍍感光膜的厚度，使電鍍圖案完全被“膜的兩側。壁”阻擋並嵌入其中。然而，在實際生產中，在世界各地電鍍印刷電路板後，塗層圖案比感光圖案厚得多。 在電鍍銅和鉛錫的過程中，由於鍍層的高度超過感光膜，囙此有橫向積聚的趨勢，從而出現問題。

錫或鉛錫形成的“邊緣”使得在去除膠片時無法完全去除感光膠片，在“邊緣”下留下一小部分“殘留膠”。 抗蝕劑“邊緣”下留下“殘膠”或“殘膜”，會導致蝕刻不完全。 蝕刻後的線條在兩側形成“銅根”，銅根使線條間距變窄，導致印刷板不符合甲方的要求，甚至可能被拒收。 由於拒收，PCB板的生產成本將大大新增。 此外，在許多情况下，由於反應形成溶解，在印刷電路行業中，殘留的薄膜和銅也可能積聚在蝕刻溶液中，堵塞蝕刻機的噴嘴和耐酸泵，必須停機進行處理和清潔， 這會影響工作效率。

3.設備調整及與腐蝕性溶液的相互作用

在PCB板加工中，氨蝕刻是一個相對精細和複雜的化學反應過程。 反過來，這是一項容易的工作。 一旦流程啟動，生產就可以繼續。 關鍵是一旦打開，就需要保持連續的工作狀態，不建議停下來。 蝕刻過程在很大程度上取決於設備的良好工作狀態。 現時，無論使用哪種蝕刻溶液，都必須使用高壓噴塗，為了獲得整齊的線條邊和高品質的蝕刻效果，必須嚴格選擇噴嘴的結構和噴塗方法。 為了獲得良好的副作用，出現了許多不同的理論，導致了不同的設計方法和設備結構。 這些理論往往大相徑庭。 但所有關於蝕刻的理論都承認，盡可能快地使金屬表面與新鮮蝕刻劑持續接觸的基本原理。 蝕刻過程的化學機理分析也證實了上述觀點。 在氨蝕刻中，假設所有其他參數都是恒定的，蝕刻速率主要由蝕刻溶液中的氨（NH3）决定。 囙此，使用新鮮溶液蝕刻表面有兩個主要目的：一是沖洗掉剛剛產生的銅離子； 另一種是連續提供反應所需的氨（NH3）。

在印刷電路行業的傳統知識中，特別是印刷電路原材料的供應商，普遍認為氨基蝕刻溶液中單價銅離子的含量越低，反應速度越快。 經驗已經證實了這一點。 事實上，許多氨基蝕刻劑產品都含有單價銅離子的特殊配體（一些複雜的溶劑），這些配體可以减少單價銅離子（這是其產品高反應性的科技秘密），可以看出單價銅離子對蝕刻效果的影響不小。 將單價銅從5000ppm减少到50ppm將使蝕刻速率新增一倍以上。 由於在蝕刻反應過程中會產生大量的一價銅離子，並且由於一價銅離子總是與氨的絡合物緊密結合，囙此很難將含量保持在接近零的水准。 通過在大氣中的氧氣作用下將單價銅轉化為二價銅，可以去除單價銅。 上述目的可以通過噴塗來實現。 這是將空氣通入蝕刻室的一個功能原因。 然而，如果空氣太多，它會加速溶液中氨的損失並降低pH值，這仍然會降低蝕刻速率。 氨也是溶液中需要控制的變數。 一些用戶採用了將純氨通入蝕刻池的做法。 為此，必須添加PH計控制系統。 當自動量測的pH值低於給定值時，溶液會自動添加。 在化學蝕刻（也稱為光化學蝕刻或PCH）的相關領域，研究工作已經開始，並已達到蝕刻機的結構設計階段。 在這種方法中，使用的溶液是二價銅，而不是氨銅蝕刻。 它很可能會用於印刷電路行業。 在PCH行業中，蝕刻銅箔的厚度通常為5至10密耳，在某些情况下甚至要厚得多。 其對蝕刻參數的要求通常比PCB行業更嚴格。

PCM工業系統的一項研究尚未正式發表，但結果將令人耳目一新。 由於項目資金支持相對較强，研究人員有能力從長遠來看改變蝕刻裝置的設計思路，並研究這些變化的影響。 例如，與錐形噴嘴相比，噴嘴的噴嘴設計採用扇形，噴霧歧管（即噴嘴擰入的管子）也有安裝角度，可以將進入蝕刻室的工件以30度角噴霧。 如果沒有，如果進行了這樣的更改，歧管上噴嘴的安裝將導致每個相鄰噴嘴的噴霧角度不完全相同。 第二組噴嘴的相應噴霧表面與相應組的噴霧表面略有不同（見圖8，顯示了噴霧的工作條件）。 通過這種管道，噴塗溶液的形狀被疊加或交叉。 理論上，如果溶液形狀相互交叉，則該部分的噴射力會降低，無法在保持新溶液與蝕刻表面接觸的同時有效地將舊溶液從蝕刻表面上洗掉。在噴射表面的邊緣尤其如此。 其噴射力遠小於垂直方向上的噴射力。 這項研究發現，設計參數為65磅/平方英寸（即4+巴）。 每種蝕刻工藝和每種實際解決方案都有注入壓力問題，現時，蝕刻室中的注入壓力超過30psi（2Bar）的情况非常罕見。 蝕刻溶液的密度（即比重或波美度）越高，注射壓力就越高。當然，這不是一個單一的參數。 另一個重要參數是控制其在溶液中反應速率的相對遷移率。

4.對於上下板，引入邊緣和後入口邊緣具有不同的蝕刻狀態

與蝕刻質量相關的大量問題集中在上板表面的蝕刻部分。 瞭解這一點很重要。 這些問題源於蝕刻劑在印刷電路板上表面形成的膠體堆積的影響。 膠體固體積聚在銅表面，一方面影響噴射力，另一方面阻礙新鮮蝕刻溶液的補充，導致蝕刻速率降低。 由於膠體固體的形成和積累，板的上下圖案的蝕刻程度是不同的。 這也使得首先進入蝕刻機的電路板的一部分容易被完全蝕刻或容易引起過度腐蝕，因為當時還沒有形成積聚，蝕刻速度更快。 相反，當進入電路板背面的零件進入時，堆積物已經形成，並減緩了其蝕刻速率。

5.蝕刻設備的維護

維護蝕刻設備的關鍵因素是確保噴嘴清潔無障礙，使噴塗平穩。 堵塞或結渣會影響噴射壓力下的佈局。 如果噴嘴不乾淨，蝕刻會不均勻，整個PCB會報廢。 顯然，設備的維護是更換損壞和磨損的零件，包括更換噴嘴，這也有磨損的問題。 此外，更關鍵的問題是保持蝕刻機無結渣，在許多情况下會發生結渣。 爐渣的過度積聚甚至會影響蝕刻溶液的化學平衡。 同樣，如果蝕刻劑表現出過度的化學不平衡，爐渣的形成將加劇。 爐渣堆積的問題怎麼強調都不為過。 一旦蝕刻溶液中突然出現大量結渣，通常是溶液平衡有問題的訊號。 應使用更濃的鹽酸進行適當清潔，或補充溶液。 殘留膜也會產生熔渣，極少量的殘留膜溶解在蝕刻溶液中，然後形成銅鹽沉澱。 殘留薄膜形成的爐渣表明之前的薄膜去除過程沒有完成。 薄膜去除不良通常是邊緣薄膜和PCB板上過度覆蓋的結果。