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PCB蝕刻機的原理和工艺流程,看完很有收获

  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。爲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,以期有助于生産管理與監控,從面提高我司的富二代在线品質。(本教材以設備爲基礎對蝕刻工藝進行講解)

  2.蝕刻機的基础原理

  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,濕膜或幹膜爲抗蝕劑;外層采用堿性蝕刻,錫鉛爲抗蝕劑。

  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

  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,達到自動連續生産。

  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。

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

  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幹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主要为Na2CO3 或K2CO3

  ResistTOOH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H CO3- ,使阻剂形成阴离子团而剥离。

  -蝕刻

  定義:將溶解了幹膜(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: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,會導致褪膜不淨;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:整孔工序僅適用于沈金制板

  •   2.工藝原理

  -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:內外層褪膜段使用藥水及控制相同,但外層幹膜厚爲1.5mil左右,經圖形電鍍後,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淨而短路。

  -蝕刻

  定义: 用蚀板液将多余的底铜蚀去剩下已加厚的线路。

  控制:隨著反應不斷進行,藥液中氨水不斷降低,銅離子不斷增加,爲保持蝕銅速度,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.爲使之蝕銅反應進行更爲迅速,蝕液中多加有助劑,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.

  -褪錫

  使用含銅保護劑的主要成分爲硝酸的藥液,褪去線路上的錫鉛層,露出線路

  •   4)名詞解釋

  水池效應

  在蚀刻过程中,线路板水平通过蝕刻機时,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。

  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産生蝕刻作用,側蝕是不可避免的。側蝕寬度與蝕刻深度之比稱之爲蝕刻因子。

  Etching Factor(蚀刻因子)=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,爲增加蝕刻速度,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;爲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,那就是以最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,最佳的設計是扇形噴嘴。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。第二組集流管與第一組比有所不同,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。

  -蝕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,下噴液壓力調整以爲補償,依實際作業結果來調整其差異.

  c.先进的蝕刻機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.

  3.技術提升部分

  1)生産線簡介

  1.內層酸性蝕刻

  沖、蝕板、褪菲林生産線機器運行參數

  沖板、褪膜、褪菲林換藥和補藥標准

  2.外層堿性蝕刻

  A)使用的是TCM退膜、蝕刻機,设备性能参数:

  有效寬度:620mm

  行辘速度: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)生産線維護

  設備的日常保養

  A.不使蝕刻液有sludge産生(淺藍色一價銅汙泥),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)生産注意事項

  1.嚴格控制退膜液的濃度,以保證幹膜以合適的速度和大小退去,且不易堵塞噴嘴。

  2.退膜後水洗壓力應大于20PSI,以便除去鍍層與底銅間的殘膜和附在板面上的殘膜。

  3.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。

  4)影響蝕刻速率因素分析

  一.酸性氯化銅溶液

  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。

  1.Cl-含量的影響

  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。

  從圖中可以看出:

  -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。

  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- 得失电子数

  [ Cu2+ ]-  二价铜离子浓度

  [ Cu+]-    一价铜离子浓度

  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能提供最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

  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均有影响。

  1.Cu2+含量的影響

  -Cu2+過低,蝕刻速率低,且溶液控制困難;

  - Cu2+过高,溶液不稳定,易生成沉淀;

  - 须控制Cu2+浓度在115~135g/l,连续富二代在线则通过比重来控制。

  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,溶液要出現沈澱,並在槽底形成泥狀沈澱。這些沈澱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,遊離到空氣中汙染環境;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

  -蝕刻速率会随着温度的升高而加快;

  -蝕刻温度过低,蚀刻速度会降低,则会增大侧蚀量,影响蚀刻质量。

  -蝕刻温度高,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。

  5.噴液壓力的影響

  -蝕刻药水压力应在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。

  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,因爲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爲不可能。

  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,尤其是噴淋式側蝕最小。

  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。

  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。富二代在线过程中,尽量提高蚀刻的运输速度。    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。

  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

  在連續生産過程中,蝕刻速率越一致,越能獲得蝕刻均勻的板,生産越容易控制。因此必須保證溶液始終保持最佳狀態。

  -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,可根據實際生産情況調整不同位置噴液壓力達到目的。生産操作中,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、密的線路板的生産將采取相應的措施,比如可將鑽孔後之板適當蝕去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)生産安全與環境保護

  因蝕刻工序使用了強堿(如NaOH)、氨水等化學品,生産過程中有較大氣味産生,同時産生大量廢液、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。

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