ETCH(PCB蚀刻培训教材)

目录前言基础部分：蚀刻目的蚀刻反应基本原理蚀刻工艺流程及原理名词解释设备技术提升部分：生产线简介生产线维护生产注意事项影响蚀刻速率因素分析蚀刻能力提高工序潜力与展望生产安全与环境保护前言随着PCB工业的发展,各种导线之阻抗要求也越来越高，这必然要求导线的宽度控制更加严格。为了使荣信公司的工程管理人员，尤其是负责蚀刻工序的工艺工程人员对蚀刻工序有一定的了解，故撰写此份培训教材，以期有助于生产管理与监控，从面提高我司的产品品质。(本教材以设备为基础对蚀刻工艺进行讲解)基础部分蚀刻的目的蚀刻的目的即是将前工序所做出有图形的线路板上的未受保护的非导体部分铜蚀刻去，形成线路。蚀刻有内层蚀刻和外层蚀刻，内层采用酸性蚀刻，湿膜或干膜为抗蚀剂；外层采用碱性蚀刻，锡铅为抗蚀剂。蚀刻反应基本原理一.酸性氯化铜蚀刻液1.特性－蚀刻速度容易控制，蚀刻液在稳定状态下能达到高的蚀刻质量－蚀铜量大－蚀刻液易再生和回收2.主要反应原理蚀刻过程中，CU2+有氧化性，将板面铜氧化成CU+：Cu+CuCl2→2CuCl生成的CuCl不溶于水，在过量的氯离子存在下，生成可溶性的络离子：2CuCl＋4Cl-→2[CuCl3]2-随着反应的进行，CU+越来越多，蚀铜能力下降，需对蚀刻液再生，使CU+变成CU2+。再生的方法有以下几种:通氧气或压缩空气再生（反应速率低)，氯气再生(反应快，但有毒)，电解再生（可直接回收铜，但需电解再生的设备和较高的电能消耗），次氯酸钠再生（成本高，本身较危险），双氧水再生（反应速率快，易控制).反应：2CuCl+2HCl+H2O2→2CuCl2+2H2O自动控制添加系统：通过控制蚀刻速度，双氧水和盐酸的添加比例，比重和液位，温度等项目，达到自动连续生产。我司采用此种再生方法。二.碱性氨类蚀刻液1.特性－不与锡铅发生任何反应－易再生，成本低，易回收－蚀铜速度快，侧蚀小，溶铜能力高，蚀刻速率易控制2.主要反应原理Cu+Cu(NH3)4Cl2→2Cu(NH3)2Cl4Cu(NH3)2Cl+4NH3H2O+4NH4Cl+O2→4Cu(NH3)4Cl2+6H2O以上两反应重复进行,因此需要有良好抽气,使喷淋形成负压,使空气中的氧气与药液充分混合,从而利于蚀刻反应进行。注意抽气不可过大,否则造成氨水消耗量的增大.二价铜离子在碱性环境下极易生成氢氧化铜沉淀，需加入过量的氨水，使之生成稳定的氨铜错离子团；过量的氨使反应生成的不稳定Cu(NH3)2Cl再生成稳定的具有氧化性的Cu(NH3)4Cl2，使反应不断的进行。生产过程中自动控制通过监测PH值，比重，进行补加氨水和新液，而达到连续生产的目的。蚀刻工艺流程及原理一.酸性氯化铜蚀刻1.工艺流程显影蚀刻褪膜显影缸1蚀刻1蚀刻2水水水洗洗洗123褪褪膜膜12水水水烘收洗洗洗干板123显影缸2水水水洗洗洗123放板2.工艺原理—显影定义：利用碳酸钠的弱碱性将干膜上未经紫外线辐射的部分用碳酸钠溶液溶解，已经紫外线辐射而发生聚合反应的部分保留。原理：CO3-2+ResistCOOHHCO3-+ResistCOO-CO3-2主要为Na2CO3或K2CO3ResistTOOH为干膜及油墨中反应官能基团利用CO3-2与阻剂中羧基（COOH）进行酸碱中和反应，形成COO-和HCO3-，使阻剂形成阴离子团而剥离。－蚀刻定义：将溶解了干膜（湿膜）而露出的铜面用酸性氯化铜溶解腐蚀，此过程叫蚀刻。影响因素：主要是溶液中Cl-、Cu+的含量，溶液的温度及Cu2+的浓度等。－褪膜药水：NaOH3+/-0.5%除泡剂0.1～0.2％定义：将线路上的保护膜去掉，露出已加工好的线路。影响褪膜效果因素：褪膜温度及速度，药水浓度注意：褪膜温度低，速度慢，药水浓度低，会导致褪膜不净；药水浓度高，会导致板面氧化。褪膜段喷嘴要及时清洗，防止碎片堵塞喷嘴，影响褪膜质量二.碱性蚀刻1.工艺流程褪膜蚀刻新液洗（整孔）褪锡注：整孔工序仅适用于沉金制板2.工艺原理－褪膜定义：用褪菲林液将线路板面上盖住的菲林褪去,露出未经线路加工的铜面.经电镀工序后的干膜在碱性褪膜液下溶解或部分成片状脱落,我司使用的是3%0.5%氢氧化钠溶液.为维持药液的效果,需注意过滤的效果,及时过滤去片状的干膜碎,防止堵塞喷嘴.注：内外层褪膜段使用药水及控制相同，但外层干膜厚为1.5mil左右,经图形电镀后，铜厚和锡厚之和通常超过1.5mil，需控制图形电镀电流参数防止夹膜，同时控制褪膜速度以防褪膜不净而短路。－蚀刻定义:用蚀板液将多余的底铜蚀去剩下已加厚的线路。控制：随着反应不断进行,药液中氨水不断降低,铜离子不断增加,为保持蚀铜速度,必需维持药水的稳定.我司通过PH计,比重计控制氨水和新液的自动添加,当PH值低时添加氨水;当比重高时添加新液.为使之蚀铜反应进行更为迅速，蚀液中多加有助剂，例如：a.加速剂(Accelerator)可促使上述氧化反应更为快速，并防止亚铜错离子的沉淀。b.护岸剂(Bankingagent)减少侧蚀。c.压抑剂(Suppressor)抑制氨在高温下的飞散，抑制铜的沉淀加速蚀铜的氧化反应。－新液洗使用不含有铜离子的NH3.H2O,NH4Cl溶液清除板面残留的药液以及反应生成物Cu(NH3)2Cl,其极不稳定，易生成沉淀。－整孔除去非镀通孔中的在沉铜工序所吸附上去的钯离子,以防在沉金工序沉上金.－褪锡使用含铜保护剂的主要成分为硝酸的药液，褪去线路上的锡铅层,露出线路名词解释水池效应在蚀刻过程中，线路板水平通过蚀刻机时，因重力作用在板上面新鲜药液被积水阻挠,无法有效和铜面反应，称之水池效应。而下面则无此现象。蚀刻因子蚀刻液在蚀刻过程中，不仅向下而且对左右各方向都产生蚀刻作用，侧蚀是不可避免的。侧蚀宽度与蚀刻深度之比称之为蚀刻因子。EtchingFactor(蚀刻因子)＝D/CUndercut=(A-B)/2ABC抗蚀层基材铜线路D设备－内外层均采用水平线设备。－对于碱性蚀刻，为增加蚀刻速度，需提高温度到46℃以上，因而有大量的氨臭味必须要有适当的抽风；抽风太大则将氨气抽走比较浪费，在抽风管内增加节流阀，控制抽风的强度。－无论何种蚀刻液，都需采用高压喷淋；为获得较整齐的线条侧边和高质量的蚀刻效果，须严格选择喷嘴的形状和喷淋方式。但不论如何选择，都遵循一基本理论，那就是以最快速度的让欲蚀刻铜表面接触愈多新鲜的蚀刻液。－喷嘴的形状有锥形（空锥形，实锥形），扇形等，我司采用的是扇形喷嘴。与锥形喷嘴相比，最佳的设计是扇形喷嘴。注意集流管的安装角度，能对进入蚀刻槽内的制板进行30度喷射。第二组集流管与第一组比有所不同，因喷淋液互相交叉时会降低喷淋的效果，尽量避免出现此种情况。－蚀刻槽内集流管的安装与前进方向比有横置，竖置和斜置，我司采用的安装方式有两种方式（见下图）。但摆动方向均垂直于运输方向。板运输方向摆动方向板运输方向方式一方式二－蚀刻品质往往因水池效应(pudding)而受限,这也是为何板子前端部份往往有overetch现象,所以设备设计上就有如下考虑:a.板子较细线路面朝下,较粗线路面朝上.b.喷嘴上,下喷液压力调整以为补偿,依实际作业结果来调整其差异.c.先进的蚀刻机可控制当板子进入蚀刻段时,前面几组喷嘴会停止喷洒几秒的时间.技术提升部分生产线简介1.内层酸性蚀刻制程速度药水压力水洗压力温度备注冲板1.6-3.0m/min上28-32Psi上10-30Psi26-30℃下28-32Psi下10-30Psi蚀板0.9-3.0m/min上25-35Psi上10-30Psi48.9-54.4℃下10-32Psi下10-30Psi褪膜1.5-3.0m/min上22-35Psi上10-30Psi40.6-51.7℃下10-30Psi下10-30Psi冲、蚀板、褪菲林生产线机器运行参数名称容积(升)药水名称份量浓度温度换补药水冲板机缸600(800)Na2CO34.8kg(6.4kg)0.6-1.0%26-30℃手动加药:每冲除泡剂940830ml(1000ml)0.1-0.2%800块板换缸自动加药,换班前一次冲板机自动400(800)Na2CO33.2kg同上常温加药缸除泡剂640ml(640ml)蚀刻机500X2Cu2+比重1.1-1.28048.9-54.4℃自动添加HCl2.0-3.5自动加药双氧水/H2O2褪膜480(800)NaOH14.4kg(25kg)3?.5%40.6-51.7℃除泡剂480ml(300ml)0.1-0.2%(50-55)冲板、褪膜、褪菲林换药和补药标准2.外层碱性蚀刻A)使用的是TCM退膜、蚀刻机，设备性能参数：有效宽度：620mm行辘速度：0~8m/min压力：2.5kg/cm2安全性：机械、电气部分有良好保护，有紧急开关。B).操作条件退膜液浓度:30.5%(重量比)退膜速度:2.5~3.5m/min退膜温度:48~54oC退膜液喷压:18~40PSI水洗压力:20~40PSI蚀刻液温度：46~52oC蚀刻液PH值：7.8~8.4(50oC)蚀刻液比重：1.170~1.190Cu2+：115~135g/l，Cl：150~190g/l喷药水压力：18~30PSI喷水压力：20~40PSI生产线维护设备的日常保养A.不使蚀刻液有sludge产生(浅蓝色一价铜污泥),当结渣越多，会影响蚀刻液的化学平衡，蚀刻速率迅速下降。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.随时保持喷嘴不被堵塞.(过滤系统要保持良好状态)每周保养时检查喷嘴，若堵塞则立即清除堵塞物。C.及时更换破损的喷嘴和配件D.PH计，比重感应器要定期校验.生产注意事项1.严格控制退膜液的浓度,以保证干膜以合适的速度和大小退去,且不易堵塞喷嘴。2.退膜后水洗压力应大于20PSI，以便除去镀层与底铜间的残膜和附在板面上的残膜。3.蚀刻药水压力应在18~30PSI,过低则蚀刻不尽,过高则易打断药水的保护膜,造成蚀刻过度。一.酸性氯化铜溶液影响蚀刻速率的因素有很多，主要是Cl-，Cu+含量，溶液温度及Cu2+浓度。影响蚀刻速率因素分析02468101212345678910氢化铜mol浓度蚀刻时间（分）1.Cl-含量的影响在氯化铜蚀刻液中Cl-浓度较多时，Cu2+和Cu+实际上是以络离子的形式存在（[Cu2+Cl4]2－，[Cu+Cl3]2-），所以蚀刻液的配制和再生都需要Cl-参加反应，下表为氯离子溶度与蚀刻速率关系。HCl摩尔浓度水溶液2NHCl溶液4NHCl溶液6NHCl溶液从图中可以看出：－当盐酸溶度升高时，蚀刻时间减少，但超过6N酸其盐酸，挥发量大，且对造成对设备的腐蚀，并随着酸浓度的增加，氯化铜的溶解度迅速降低。在氯化铜溶液中发生铜的蚀刻反应时，生成的CuCl2不易溶于水，则在铜的表面形成一层氯化亚铜膜，这种膜能阻止反应的进一步进行，过量的Cu-能与Cu2Cl2结合形成可溶性的络离子[Cu1+Cl3]2-，从铜表面上溶解下来，从而提高蚀刻速率。2.Cu+含量的影响根据蚀刻反应，随着铜的蚀刻就会形成一价铜离子，较微量的Cu+会显著地降低蚀刻速率。根据奈恩斯物方程：0.59Cu2+E=E0+lgnCu+E－指定浓度下的电极电位n－得失电子数[Cu2+]－二价铜离子浓度[Cu+]－一价铜离子浓度Cu+浓度与氧化--还原电位之间的关系0.000.200.400.600.801.001.20500505510515520525530535540545550555(mv)(g/L)溶液氧化一还原反应位与蚀刻速率的关系0.100.150.200.250.300.350.400.450.50500510520530540550560mv从图中可以看出，随着Cu+浓度的不断升高，氧化还原电位不断下降。当氧化还原电位在530mu时，Cu1+浓度低于0.4g/l能提供最理想的高的和几乎恒定的蚀刻速率。3.Cu2+含量的影响溶液中Cu2+含量对蚀刻速率的关系：当Cu2+低时，反应较缓慢，但当Cu2+达到一定浓度时也会反应速率降低。反应速率4.温度对蚀刻速率的影响012