隨著PCB工業的發展,各種導線之阻抗要求也越來越高，這必然要求導線的寬度控制更加嚴格。為了使榮信公司的工程管理人員，尤其是負責蝕刻工序的工藝工程人員對蝕刻工序有一定的了解，故撰寫此份培訓教材，以期有助于生產管理與監控，從面提高我司的產品品質。(本教材以設備為基礎對蝕刻工藝進行講解)

2.蝕刻機的基礎原理

　　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的非導體部分銅蝕刻去，形成線路。

　　蝕刻有內層蝕刻和外層蝕刻，內層采用酸性蝕刻，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，蝕刻液在穩定狀態下能達到高的蝕刻質量

　　－蝕銅量大

　　－蝕刻液易再生和回收

• 2.主要反應原理

　　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，生成可溶性的絡離子：

　　2CuCl＋4Cl-→2[CuCl3]2-

　　隨著反應的進行，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（反應速率低)，氯氣再生(反應快，但有毒)，電解再生（可直接回收銅，但需電解再生的設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（反應速率快，易控制).

　　反應：2CuCl+2HCl+H2O2→2CuCl2+2H2O

　　自動控制添加系統：通過控制蝕刻速度，雙氧水和鹽酸的添加比例，比重和液位，溫度等項目，達到自動連續生產。

　　我司采用此種再生方法。

　　二.堿性氨類蝕刻液

• 　　1.特性

　　－不與錫鉛發生任何反應

　　—易再生，成本低，易回收

　　－蝕銅速度快，側蝕小，溶銅能力高，蝕刻速率易控制

• 　　2.主要反應原理

　　Cu+Cu(NH3)4Cl2→2Cu(NH3)2Cl

　　4Cu(NH3)2Cl + 4NH3H2O + 4NH4Cl + O2 → 4Cu(NH3)4Cl2+6H2O

　　以上兩反應重復進行,因此需要有良好抽氣,使噴淋形成 負壓,使空氣中的氧氣與藥液充分混合,從而利于蝕刻反應進行。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，使之生成穩定的氨銅錯離子團；過量的氨使反應生成的不穩定Cu(NH3)2Cl 再生成穩定的具有氧化性的Cu(NH3)4Cl2，使反應不斷的進行。

　　生產過程中自動控制通過監測PH值，比重，進行補加氨水和新液，而達到連續生產的目的。

　　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紫外線輻射的部分用碳酸鈉溶液溶解，已經紫外線輻射而發生聚合反應的部分保留。

　　—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官能基團，利用CO3-2與阻劑中羧基（COOH）進行酸堿中和反應，形成COO-和H CO3- ，使阻劑形成陰離子團而剝離。

　　－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，會導致褪膜不凈；藥水濃度高，會導致板面氧化。

　　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,露出未經線路加工的銅面.經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：隨著反應不斷進行,藥液中氨水不斷降低,銅離子不斷增加,為保持蝕銅速度,必需維持藥水的穩定.我司通過PH計,比重計控制氨水和新液的自動添加,當PH值低時添加氨水;當比重高時添加新液.為使之蝕銅反應進行更為迅速，蝕液中多加有助劑，例如：

　　a.加速劑(Accelerator) 可促使上述氧化反應更為快速，并防止亞銅錯離子的沉淀。

　　b.護岸劑(Bankingagent) 減少側蝕。

　　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。

　　－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生成物Cu(NH3)2Cl ,其極不穩定，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

　　在蝕刻過程中，線路板水平通過蝕刻機時，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，稱之水池效應。而下面則無此現象。

　　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生蝕刻作用，側蝕是不可避免的。側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）設備

　　－內外層均采用水平線設備。

　　－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的抽風；抽風太大則將氨氣抽走比較浪費，在抽風管內增加節流閥，控制抽風的強度。

　　－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邊和高質量的蝕刻效果，須嚴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，實錐形），扇形等，我司采用的是扇形噴嘴。與錐形噴嘴相比，的設計是扇形噴嘴。注意集流管的安裝角度，能對進入蝕刻槽內的制板進行30度噴射。第二組集流管與組比有所不同，因噴淋液互相交叉時會降低噴淋的效果，盡量避免出現此種情況。

　　－蝕刻槽內集流管的安裝與前進方向比有橫置，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輸方向。

　　－蝕刻品質往往因水池效應(pudding)而受限, 這也是為何板

　　子前端部份往往有overetch現象,   所以設備設計上就有如下

　　考慮:

　　a.板子較細線路面朝下,較粗線路面朝上.

　　b.噴嘴上,下噴液壓力調整以為補償,依實際作業結果來調整其差異.

　　c.先進的蝕刻機可控制當板子進入蝕刻段時,前面幾組噴嘴會停止噴灑幾秒的時間.

　　3.技術提升部分

　　1）生產線簡介

　　1.內層酸性蝕刻

　　沖、蝕板、褪菲林生產線機器運行參數

　　沖板、褪膜、褪菲林換藥和補藥標準

　　2.外層堿性蝕刻

　　A)使用的是TCM退膜、蝕刻機，設備性能參數：

　　有效寬度：620mm

　　行轆速度：0~8m/min

　　壓力：2.5kg/cm2

　　安全性：機械、電氣部分有良好保護，有緊急開關。

　　B).操作條件

　　2）生產線維護

　　設備的日常保養

　　A.不使蝕刻液有sludge產生(淺藍色一價銅污泥),當結渣越多，會影響蝕刻液的化學平衡，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.(過濾系統要保持良好狀態），每周保養時檢查噴嘴，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，比重感應器要定期校驗.

　　3）生產注意事項

　　1.嚴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.蝕刻藥水壓力應在18 ~30PSI,過低則蝕刻不盡,過高則易打斷藥水的保護膜,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+實際上是以絡離子的形式存在（[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，下表為氯離子溶度與蝕刻速率關系。

　　從圖中可以看出：

　　－當鹽酸溶度升高時，蝕刻時間減少，但超過6 N酸其鹽酸，揮發量大，且對造成對設備的腐蝕，并隨著酸濃度的增加，氯化銅的溶解度迅速降低。

　　在氯化銅溶液中發生銅的蝕刻反應時，生成的CuCl2不易溶于水，則在銅的表面形成一層氯化亞銅膜，這種膜能阻止反應的進一步進行，過量的Cu-能與Cu2Cl2結合形成可溶性的絡離子[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

　　根據蝕刻反應，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。

　　根據奈恩斯物方程：

　　E－指定濃度下的電極電位

　　n－ 得失電子數

　　[ Cu2+ ]－  二價銅離子濃度

　　[ Cu+]－    一價銅離子濃度

　　Cu+濃度與氧化--還原電位之間的關系

　　溶液氧化一還原反應位與蝕刻速率的關系

　　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。當氧化還原電位在530mu時，Cu1+濃度低于0.4g/l能提供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系：

　　當Cu2+低時，反應較緩慢，但當Cu2+達到一定濃度時也會反應速率降低。

　　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,當溫度高時會引起HCl過多地揮發造成溶液比例失調,另溫度較高也會引起機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，溶液不穩定，易生成沉淀；

　　－ 須控制Cu2+濃度在115~135g/l，連續生產則通過比重來控制。

　　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合成銅氨絡離子，溶液要出現沉淀，并在槽底形成泥狀沉淀。這些沉淀能結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境；且使側蝕增大。

　　3.氯化氨含量的影響

　　－從前面反應可知，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，則會增大側蝕量，影響蝕刻質量。

　　－蝕刻溫度高，蝕刻速度明顯增大，但氨氣的揮發量液增大，既污染環境，有增加成本。

　　5.噴液壓力的影響

　　－蝕刻藥水壓力應在18 ~30PSI,過低則蝕刻不盡,過高則易打斷藥水的保護膜,造成蝕刻過度。

　　5）蝕刻能力提高

　　一.減少側蝕和突沿，提高蝕刻因子。

　　側蝕造成突沿，側蝕和突沿降低，蝕刻因子會提高；突沿過度會造成導線短路，因為突沿會突然斷裂下來，在導線間形成電的連接。嚴重的側蝕則使精細導線的制作成為不可能。

　　影響側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蝕，潑濺和噴淋式側蝕較小，尤其是噴淋式側蝕小。

　　蝕刻液種類：不同的蝕刻液化學組分不同，蝕刻速度不同，側蝕也不同。通常，堿性氯化銅蝕刻液比酸性氯化銅蝕刻液蝕刻因子大。藥水供應商通常會添加輔助劑來降低側蝕，不同的供應商添加的輔助劑不同，蝕刻因子也不同。

　　蝕刻運輸速率：運輸速率慢會造成嚴重的側蝕。運輸速率快，板在蝕刻液中停留的時間越短，側蝕量也越小。生產過程中，盡量提高蝕刻的運輸速度。    蝕刻液的PH值：堿性蝕刻液，PH值較高時，側蝕增大。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，會加重側蝕，選擇高銅濃度的蝕刻液對減少側蝕是有利的。

　　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，側蝕就越大。制作密集細小線路的制板，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

　　在連續生產過程中，蝕刻速率越一致，越能獲得蝕刻均勻的板，生產越容易控制。因此必須保證溶液始終保持狀態。

　　－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備

　　－通過自動添加來保證溶液的穩定

　　－通過噴淋系統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。

　　－由于水池效應的影響，板下面蝕刻速率高于上面，可根據實際生產情況調整不同位置噴液壓力達到目的。生產操作中，需定期對設備進行檢測和調校。

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

　　常見問題及改善

• 　　6）工序潛力與展望

　　隨著未來PCB的發展，如撓性板、密的線路板的生產將采取相應的措施，比如可將鉆孔后之板適當蝕去1/3到1/2的底銅，再做PTH全板，Dryfilm、圖形電鍍即可減少側蝕，從而保證線寬足夠。

• 　　7）生產安全與環境保護

　　因蝕刻工序使用了強堿(如NaOH)、氨水等化學品，生產過程中有較大氣味產生，同時產生大量廢液、廢渣，故應加強抽風以及及時將廢液、廢渣運走，同時可進行蝕刻液循環利用。