ETCHPCB蚀刻培训教材解析实用教案

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1、 目 录 前言 基础(jch)(jch)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 第1页/共60页第一页，共61页。 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(jioci)，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(jioci)以设备为基础对蚀刻工艺进行讲解)第2页/共60

2、页第二页，共61页。基础基础(jch)部分部分第3页/共60页第三页，共61页。蚀刻(shk)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(xngchng)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。第4页/共60页第四页，共61页。蚀刻(shk)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(zhling) 蚀铜量大 蚀刻液易再生和回收第5页/共60页第五页，共61页。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+

3、： 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：2CuCl4Cl-2CuCl32- 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(yxi)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).第6页/共60页第六页，共61页。反应：2CuCl+2HCl+H2O22CuCl2+2H2O自动控制添加系统：通过控制蚀刻速度，双氧水和盐酸的

4、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(ciyng)此种再生方法。第7页/共60页第七页，共61页。二.碱性氨类蚀刻液 1.特性 不与锡铅发生任何(rnh)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 第8页/共60页第八页，共61页。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(chngf)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

5、气不可过大,否则造成氨水消耗量的增大. 第9页/共60页第九页，共61页。 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(bzhng)，进行补加氨水和新液，而达到连续生产的目的。第10页/共60页第十页，共61页。蚀刻工艺流程(n y li chn)及原理一.酸性(sun xn)氯化铜蚀刻 1.工艺流程显影蚀刻褪膜第11页/共60页第十一页，共61页。显影缸1蚀刻1蚀刻2水 水 水 洗 洗 洗1

6、 2 3褪 褪膜 膜1 2水 水 水 烘 收洗 洗 洗 干 板1 2 3 显影缸2水 水 水 洗 洗 洗 1 2 3 放板第12页/共60页第十二页，共61页。2.工艺(gngy)原理显影 定义：利用碳酸钠的弱碱性(jin xn)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。 第13页/共60页第十三页，共61页。 原理： CO3-2 + Resist COOH HCO3- + Resist COO- CO3-2 主要为Na2CO3 或K2CO3 Resist TOOH为干膜及油墨中反应官能基团 利用(lyng)CO3-2与阻剂中羧基（COOH）进行酸碱

7、中和反应，形成COO-和H CO3- ，使阻剂形成阴离子团而剥离。 第14页/共60页第十四页，共61页。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(hnling)，溶液 的温度及Cu2+的浓度等。 第15页/共60页第十五页，共61页。褪膜 药水：NaOH 3+/-0.5% 除泡剂 0.10.2 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(qngx)，防

8、止碎片堵塞喷嘴， 影响褪膜质量第16页/共60页第十六页，共61页。二.碱性蚀刻(shk) 1.工艺流程褪膜蚀刻新液洗（整孔）褪锡注：整孔工序(gngx)仅适用于沉金制板第17页/共60页第十七页，共61页。 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(xiogu),需注意过滤的效果(xiogu),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

9、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。第18页/共60页第十八页，共61页。蚀刻(shk)定义: 用蚀板液将多余的底铜蚀去剩下(shn xi)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(yoshu)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.第19页/共60页第十九页，共61页。 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(ynghu)反应更为快速，并防止亚铜错离

10、子的沉淀。b. 护岸剂(Banking agent) 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(ynghu)反应。第20页/共60页第二十页，共61页。 新液洗 使用(shyng)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(shyng)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,露出线路第21页/共60页第二十一页，共61页。名词解释水池效应 在蚀刻过程中，

11、线路板水平通过蚀刻机时，因重力作用在板上面新鲜(xn xin)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。第22页/共60页第二十二页，共61页。蚀刻因子 蚀刻液在蚀刻过程(guchng)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。第23页/共60页第二十三页，共61页。Etching Factor(蚀刻(shk)因子)D/CUndercut=(A-B)/2ABC抗蚀层基材铜线路D第24页/共60页第二十四页，共61页。设备(shbi)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

12、(yn r)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。第25页/共60页第二十五页，共61页。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(jiod)，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

13、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。第26页/共60页第二十六页，共61页。板运输(ynsh)方向摆动(bidng)方向板运输(ynsh)方向 方式一 方式二第27页/共60页第二十七页，共61页。蚀刻(shk)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over etch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(tiozhng)以为补偿,依实际作业结果来调整(tiozhng)其差异. c. 先进

14、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. 第28页/共60页第二十八页，共61页。技术提升技术提升(tshng)部分部分第29页/共60页第二十九页，共61页。生产线简介(jin ji)1.内层(ni cn)酸性蚀刻制程制程速度速度药水压力药水压力水洗压力水洗压力温度温度备注备注冲板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

15、上 10-30Psi40.6-51.7下 10-30Psi下 10-30Psi冲、蚀板、褪菲林(fi ln)生产线机器运行参数第30页/共60页第三十页，共61页。名称名称容积( 升)容积( 升)药水名称药水名称份量份量浓度浓度温度温度换补药水换补药水冲板机缸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1.1-1.280 48.9-5

16、4.4 自动添加HCl2.0-3.5自动加药双氧水 /H2O2褪膜480(800)NaOH14.4kg(25kg)30.5%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(byo)标准第31页/共60页第三十一页，共61页。2.外层碱性(jin xn)蚀刻 A)使用的是TCM退膜、蚀刻机，设备(shbi)性能参数： 有效宽度：620mm 行辘速度：08m/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。第32页/共60页第三十二页，共61页。B).操作条件 退膜液浓度(nngd):30.5%(

17、重量比) 退 膜 速 度: 2.53.5m/min 退 膜 温 度:4854oC 退膜液喷压:1840PSI 水 洗 压 力: 2040PSI蚀刻液温度(wnd)：4652oC蚀刻液PH值：7.88.4(50oC)蚀刻液比重：1.1701.190Cu2+：115135g/l，Cl：150190g/l喷药水压力：1830PSI喷水压力：2040PSI第33页/共60页第三十三页，共61页。生产线维护(wih) 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(chng fn)控制很重要尤其是PH,太高或太低都

18、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. 第34页/共60页第三十四页，共61页。生产(shngchn)注意事项1.严格控制退膜液的浓度,以保证(bozhng)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。第35页/共60页第三十五页，共61页。一.酸性氯化铜溶液 影响(yngxing)

19、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(sl)因素分析第36页/共60页第三十六页，共61页。02468101212345678910氢化铜m o l 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(xngsh)存在（Cu2+Cl42， Cu+Cl32- ），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(m r)浓度水溶液2N HCl溶液(rngy)4N HCl溶液6N HCl溶液第37页/共60页第三十七页，共61页。从图中可以看

20、出： 当盐酸溶度升高时，蚀刻时间减少，但超过6 N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(jingd)。 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+Cl32-，从铜表面上溶解下来，从而提高蚀刻速率。 第38页/共60页第三十八页，共61页。2.Cu+含量(hnling)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： 0.59 Cu2+ E=E0

21、+ lg n Cu+ 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+ 一价铜离子浓度第39页/共60页第三十九页，共61页。Cu+浓度与氧化-还原(hun yun)电位之间的关系0.000.200.400.600.801.001.20500505510515520525530535540545550555(mv)(g/L)第40页/共60页第四十页，共61页。溶液(rngy)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，

22、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(tgng)最理想的高的和几乎恒定的蚀刻速率。第41页/共60页第四十一页，共61页。 3.Cu2+含量的影响(yngxing) 溶液中Cu2+含量对蚀刻速率的关系： 当Cu2+低时，反应较缓慢(hunmn)，但当Cu2+达到一定浓度时也会反应速率降低。反应速率第42页/共60页第四十二页，共61页。 4.温度(wnd)对蚀刻速率的影响01234562025303540455055606570温度蚀刻速率（分） 随着(su zhe)温度提高蚀刻时间越短，一般在40-55间,当温度高时会引起HCl过多地挥发造成

23、溶液比例失调,另温度较高也会引起机器损伤及阻蚀层的破坏。第43页/共60页第四十三页，共61页。二.碱性氨类蚀刻液 蚀刻液的PH值，比重（ Cu2+的浓度），氯化氨浓度以及蚀刻液的温度等对蚀刻速度(sd)均有影响。 1.Cu2+含量的影响 Cu2+过低，蚀刻速率低，且溶液控制(kngzh)困难； Cu2+过高，溶液不稳定，易生成沉淀； 须控制(kngzh)Cu2+浓度在115135g/l，连续生产则通 过比重来控制(kngzh)。第44页/共60页第四十四页，共61页。2.溶液PH值的影响 PH值过低，对金属抗蚀层不利；且溶液中的铜不能完全被络合成铜氨络离子，溶液要出现(chxin)沉淀，并在

24、槽底形成泥状沉淀。这些沉淀能结在加热器上形成硬皮，可能损坏加热器，还会堵塞泵或喷嘴，对蚀刻造成困难。 PH值过高，溶液中氨过饱和，游离到空气中污染环境；且使侧蚀增大。 第45页/共60页第四十五页，共61页。3.氯化氨含量的影响(yngxing) 从前面反应可知， Cu(NH3)2Cl的再生需要过量的NH3和NH4Cl存在。若氯化氨过低， Cu(NH3)2Cl得不到再生，蚀刻速率会降低。 氯化氨过高，引起抗蚀层被浸蚀。第46页/共60页第四十六页，共61页。4.温度的影响 蚀刻速率会随着温度的升高(shn o)而加快； 蚀刻温度过低，蚀刻速度会降低，则会增大侧蚀量， 影响蚀刻质量。 蚀刻温度高

25、，蚀刻速度明显增大，但氨气的挥发量液 增大，既污染环境，有增加成本。第47页/共60页第四十七页，共61页。5.喷液压力的影响(yngxing) 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。第48页/共60页第四十八页，共61页。蚀刻(shk)能力提高一.减少侧蚀和突沿，提高蚀刻因子(ynz)。 侧蚀造成突沿，侧蚀和突沿降低，蚀刻因子(ynz)会提高；突沿过度会造成导线短路，因为突沿会突然断裂下来，在导线间形成电的连接。严重的侧蚀则使精细导线的制作成为不可能。第49页/共60页第四十九页，共61页。影响(yngxing)侧蚀的因素及改善方法 蚀刻

26、方式：浸泡和鼓泡式会造成较大(jio d)的侧蚀，泼溅和喷淋式侧蚀较小，尤其是喷淋式侧蚀最小。第50页/共60页第五十页，共61页。 蚀刻液种类：不同(b tn)的蚀刻液化学组分不同(b tn)，蚀刻速度不同(b tn)，侧蚀也不同(b tn)。通常，碱性氯化铜蚀刻液比酸性氯化铜蚀刻液蚀刻因子大。药水供应商通常会添加辅助剂来降低侧蚀，不同(b tn)的供应商添加的辅助剂不同(b tn)，蚀刻因子也不同(b tn)。第51页/共60页第五十一页，共61页。 蚀刻运输速率：运输速率慢会造成严重的侧蚀。运输速率快，板在蚀刻液中停留的时间越短，侧蚀量也越小。生产过程(guchng)中，尽量提高蚀刻的运

27、输速度。 蚀刻液的PH值：碱性蚀刻液，PH值较高时，侧蚀增大。一般控制PH值在8.5以下。第52页/共60页第五十二页，共61页。 蚀刻液的比重：碱性蚀刻液的比重太低，会加重侧蚀，选择高铜浓度的蚀刻液对减少侧蚀是有利的。 底铜厚度(hud)：底铜厚度(hud)越大，板需在蚀刻液中停留的时间也越长，侧蚀就越大。制作密集细小线路的制板，尽量使用低厚度(hud)的铜箔，减小全板镀铜厚度(hud)。第53页/共60页第五十三页，共61页。二.提高板与板之间蚀刻速率的一致性 在连续生产过程中，蚀刻速率越一致，越能获得蚀刻均匀的板，生产越容易控制。因此必须保证溶液始终保持最佳状态。 选择易再生，蚀刻速率易

28、控制的药水； 选择能提供恒定操作条件的自动控制的 工艺(gngy)和设备 通过自动添加来保证溶液的稳定 通过喷淋系统或喷嘴的摆动来保证溶液 流量的均匀性第54页/共60页第五十四页，共61页。三.提高整个板面蚀刻速率的均匀性。 板的上下两面以及板面各个部位蚀刻均匀性有由板表面受到蚀刻液流量的均匀性决定的。 由于水池效应的影响，板下面蚀刻速率高于上面， 可根据实际生产情况调整不同位置喷液压力达到目 的。生产操作中，需定期对设备进行检测和调校。 板边缘比板中间蚀刻速率快，也可通过调整压力解 决此问题，另外使喷淋系统摆动(bidng)也是有效的。第55页/共60页第五十五页，共61页。问题 原因 解

29、决方法(fngf)退膜不尽 1)药水浓度偏低 1)调整浓度到适当范围 2)压力、温度不够,行速过快 2)即时调整 3)喷嘴堵塞 3)疏通喷嘴板面氧化 1)药水浓度偏高 1)调整药水浓度 2)温度过高 2)调整药水温度蚀铜未净 1)蚀刻速度太快 1)适当调整运输速度 2)药水成份不当 2)调整药水成份 3)铜面受污染 3)避免蚀铜前铜面受污染 4)喷嘴堵塞 4)清洗喷嘴 5)温度偏低 5)调整温度蚀铜过度 1)机速太慢 1)调整机速 2)温度偏高 2)调整温度常见问题及改善(gishn)第56页/共60页第五十六页，共61页。 由于我司全板电镀较薄,且切匀性较好,故蚀刻(shk)的均匀性也相对较

30、好。随着未来PCB的发展，如挠性板、密的线路板的生产将采取相应的措施，比如可将钻孔后之板适当蚀去1/3到1/2的底铜，再做PTH全板，Dryfilm、图形电镀即可减少侧蚀，从而保证线宽足够。工序(gngx)潜力与展望第57页/共60页第五十七页，共61页。 因蚀刻工序使用了强碱(如NaOH)、氨水等化学品，生产过程中有较大气味产生，同时产生大量废液、废渣(fizh)，故应加强抽风以及及时将废液、废渣(fizh)运走，同时可进行蚀刻液循环利用。生产(shngchn)安全与环境保护第58页/共60页第五十八页，共61页。第59页/共60页第五十九页，共61页。感谢您的欣赏(xnshng)！第60页/共60页第六十页，共61页。NoImage内容(nirng)总结目 录。定义：将溶解了干膜（湿膜）而露出的铜面用酸性(sun xn)氯化铜溶解腐蚀，此过程叫蚀刻。定义：用褪菲林液将线路板面上盖住的菲林褪去,露。冲、蚀板、褪菲林生产线机器运行参数。蚀刻速度不同，侧蚀也不同。商添加的辅助剂不同，蚀刻因子也不同。选择易再生，蚀刻速率易控制的药水。感谢您的欣赏第六十一页，共61页。