PCB線路板外層電路的蝕刻工藝介紹

一.概述

        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(xué)方式將其余的銅箔腐蝕掉,稱為蝕刻。
        要注意的是,這時(shí)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,其余的將形成終所需要的電路。這種類型的圖形電鍍,其特點(diǎn)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)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,全板鍍銅的大缺點(diǎn)是板面各處都要鍍兩次銅而且蝕刻時(shí)還必須都把它們腐蝕掉。因此當(dāng)導(dǎo)線線寬十分精細(xì)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一系列的問題。同時(shí),側(cè)腐蝕會(huì)嚴(yán)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(xué)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(shí)際生產(chǎn)中不多見,但有望用在無氯蝕刻中。有人試驗(yàn)用硫酸-雙氧水做蝕刻劑來腐蝕外層圖形。由于包括經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(duì)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(yán)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(diǎn)，不僅向下而且對(duì)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(xiàng),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(huì)對(duì)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(duì)其進(jìn)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(xué)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(jìn)入蝕刻機(jī)之前就已經(jīng)存在了。因?yàn)橛≈齐娐芳庸さ母鱾€(gè)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(rèn)定是蝕刻質(zhì)量的問題，實(shí)際上在去膜甚至更以前的工藝中已經(jīng)存在了。對(duì)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，所以許多問題后都反映在它上面。同時(shí)，這也是由于蝕刻是自貼膜，感光開始的一個(gè)長系列工藝中的后一環(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(gè)很特殊的方面。
        從理論上講，印制電路進(jìn)入到蝕刻階段后，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(shí)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(shí)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。“殘膠”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(huì)使PCB的生產(chǎn)成本大大增加。
        另外，在許多時(shí)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(jī)的噴嘴處和耐酸泵里，不得不停機(jī)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(gè)較為精細(xì)和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程。反過來說它又是一個(gè)易于進(jìn)行的工作。一旦工藝上調(diào)通，就可以連續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)。關(guān)鍵是一旦開機(jī)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(yán)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(jì)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(rèn)這樣一條基本的原則，即盡量快地讓金屬表面不斷的接觸新鮮的蝕刻液。對(duì)蝕刻過程所進(jìn)行的化學(xué)機(jī)理分析也證實(shí)了上述觀點(diǎn)。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(gè)：一是沖掉剛剛產(chǎn)生的銅離子；二是不斷提供進(jìn)行反應(yīng)所需要的氨（NH3）。
        在印制電路工業(yè)的傳統(tǒng)知識(shí)里,特別是印制電路原料的供應(yīng)商們,大家公認(rèn),氨性蝕刻液中的一價(jià)銅離子含量越低，反應(yīng)速度就越快.這已由經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)。事實(shí)上，許多的氨性蝕刻液產(chǎn)品都含有一價(jià)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(jià)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(jià)銅離子的影響是不小的。將一價(jià)銅由5000ppm降至50ppm，蝕刻速率會(huì)提高一倍以上。
        由于蝕刻反應(yīng)過程中生成大量的一價(jià)銅離子，又由于一價(jià)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(jià)銅轉(zhuǎn)換成二價(jià)銅可以去除一價(jià)銅。用噴淋的方式可以達(dá)到上述目的。