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PCB蚀刻技术及问题的分析

毕业设计（论文）中文摘要

PCB蚀刻技术及问题的分析

摘要：

通常所指蚀刻也称光化学蚀刻，指通过曝光制版、显影后，将要蚀刻区域的保护膜去除，在蚀刻时接触化学溶液，达到溶解腐蚀的作用，形成凹凸或者镂空成型的效果。

本文综述了蚀刻技术及其发展，提出了蚀刻技术工艺改进的途径和研究的方向的一个趋势。

关键词：

蚀刻技术工艺流程反应原理工艺改进与研究

毕业设计（论文）英文摘要

Title:

PCBetchingtechnologyandproblemanalysis

Abstract:

Usuallyreferstothephotochemicaletching,definedbythelithographicexposure,developingwillbeetchedregionsoftheprotectivefilmisremoved,theetchingcontactchemicalsolutiontodissolvetheroleofcorrosionformconcave-convexorhollowmoldingeffect.Thisarticlereviewstheetchingtechnologyanditsdevelopment,putforwardtheetchingprocessimprovementapproachandresearchdirection.Etchingofatotaloftwomajorcategories:

dryetchingandwetetching;

Keywords:

EtchingtechnologyTechnologicalprocessReactionprincipleProcessimprovementandresearch

摘要.............................................................................................................................1

1.引言...........................................................................................................................5

2.PCB蚀刻技术…......................................................................................................5

2.1蚀刻方式............................................................................................................6

2.2喷淋蚀刻的设备...................................................................................................7

3.蚀刻反应的基本原理及故障和排除方法...............................................................9

3.1酸性氯化铜蚀刻液.............................................................................................9

3.2碱性氨类蚀刻液................................................................................................13

4.常见问题及改善和环境保护..................................................………....................15

4.1设备的保养...........................................................................................................15

4.2生产过程中应注意的事项...................................................................................15

4.3生产安全与环境保护...........................................................................................16

结语.............................................................................................................................16

致谢.............................................................................................................................17

参考文献...................................................................................................................17

1.引言

20世纪的40年代，英国人PaulEisler博士及其助手，第一个采用了印制电路板（PrintedCircuitBoard,PCB）制造整机——收音机，并率先提出了印制电路板的概念。

经过多年的研究与生产实践，印制电路产业获得了很大的发展。

目前，PCB已广泛用于军事、通信、计算机、自动化等领域，成为绝大多数电子产品达到电路互连不可缺少的主要组成部件。

另外，随着集成电路的发明与应用，电子产品的小型化、高性能化，极大地推动了PCB向多层、深孔、微孔及微导电化的方向发展。

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.在生活中的广泛运用，PCB的质量越来越好，越来越可靠，它是设计工艺也越来越多样化，也更加的完善。

蚀刻技术在PCB设计中的也越来越广泛。

蚀刻技术是利用化学感光材料的光敏特性,在基体金属基片两面均匀涂敷感光材料采用光刻方法,将胶膜板上栅网产显形状精确地复制到金属基片两面的感光层掩膜上通过显影去除未感光部分的掩膜,将裸露的金属部分在后续的加工中与腐蚀液直接喷压接触而被蚀除,最终获取所需的几何形状及高精度尺寸的产品技术蚀刻技术。

为了我们更好的学习了解PCB蚀刻工序的工艺技术及过程中易出现的问题。

但随着人类的进步和科技的发展，蚀刻技术面临着许多的新的课题，比如环境污染，工艺复杂、不简化，工艺材料对人体有害，部分资源循环利用性不强等。

本文就将结合上述问题对PCB蚀刻技术作些介绍，并对工艺改进途径方面做些探讨。

2.PCB蚀刻技术

据我了解最早的蚀刻技术是利用特定的溶液与薄膜间所进行的化学反应来去除薄膜未被光阻覆盖的部分，而达到蚀刻的目的，这种蚀刻方式也就是所谓的湿式蚀刻。

因为湿式蚀刻是利用化学反应来进行薄膜的去除，而化学反应本身不具有方向性的，因此湿式蚀刻过程为等向性质的，一般而言此方式不足以定义3微米以下的线宽的，但对于3微米以上的线宽定义湿式蚀刻仍然为一种可选择采用的技术形式。

蚀刻的最终目的其实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。

蚀刻一共有两大类分别是：

1：

干式蚀刻;2:

湿式蚀刻。

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，对蚀刻技术提出了更高的要求。

2.1．蚀刻的方式

蚀刻的方式主要有浸泡、鼓泡、泼溅和喷淋蚀刻。

浸泡和鼓泡蚀刻会造成较大的侧蚀，泼溅和喷淋蚀刻产生的侧蚀较小，尤以喷淋蚀刻所得产品的侧蚀最小，蚀刻效果最好。

2.1.1浸泡蚀刻

浸泡的操作方式是：

把板子整个浸入到一个装满蚀刻液的槽中，利用溶液的直接接触产生蚀刻，如图2-1所示。

浸泡蚀刻因为接触铜面的蚀刻液更新慢通常需要很长的时间，可以通过加热蚀刻溶液的方法来提高蚀刻速度。

这种方法适用于小型板或原型板。

浸泡蚀刻为了增加氧化性，提高化学反应速率，通常使用添加了过硫酸盐或过氧化氢的硫酸的溶液作为蚀刻液。

图2-1浸泡蚀刻

2.1.2鼓泡蚀刻

鼓泡蚀刻这项技术是在浸泡蚀刻技术上做了一些修改，它的不同之处在于向蚀刻槽中通入空气产生气泡，气泡具有搅拌作用，保证工作板表面有持续新鲜的蚀刻液，将已经溶解了的金属冲掉。

提高蚀刻液的氧化能力，使蚀刻快速进行，如图2-2所示。

图2-2鼓泡蚀刻

2.1.3泼溅蚀刻

泼溅蚀刻的原理是把一个叶片连接到一个电动机的转轴上，当电动机转动起来时，蚀刻液在离心力的作用下喷洒到需蚀刻的板子上，设计如图2-3所示。

泼溅蚀刻比鼓泡蚀刻要好，优点是蚀刻均匀且侧蚀小，缺点是每一次只能蚀刻有限的几块板子。

图2-3泼溅蚀刻

2.1.4 喷淋蚀刻

喷淋蚀刻是目前常用的蚀刻方式，其作用原理是在压力作用下通过喷嘴将蚀刻溶液从槽中均匀地抽上来喷洒在板子的表面，并不断循环把新鲜的溶液喷洒在板子上，赶走蚀刻后的残留溶液，具有很高的蚀刻速率。

下列因素决定了蚀刻的均匀程度：

喷嘴的喷洒样式、喷洒量的一致性和喷嘴排放位置的均匀性；蚀刻液的化学腐蚀能力、泵的压力。

图2-4喷淋蚀刻系统示意图

2.2．喷淋蚀刻设备

一般来说，在闭路循环再生系统中板子要连续地蚀刻，都采用喷淋蚀刻系统。

喷淋蚀刻系统的蚀刻速率高、侧蚀小、细纹分辨率好。

在印制电路板的蚀刻中经常用酸性或碱性氯化铜蚀刻液蚀刻覆铜板，系统设备应该选用耐酸或耐碱的基体材料制作，比如PVC。

2.2.1喷淋蚀刻系统的传送方式

板子在蚀刻机内部进行蚀刻时，有两种放置形式：

即水平放置和垂直放置。

（1）水平传送――水平喷淋

这种技术在顶部和底部有两排各自独立控制的喷嘴。

双侧水平蚀刻主要用于生产双面板，水平喷淋蚀刻系统如图2-5所示。

图2-5水平喷淋蚀刻系统示意图

现在使用的主流设备是水平传送喷淋式蚀刻机。

水平传送目前多采用滚轮传送，板子随着滚轮前进，上下都有空隙可喷淋溶液于板面。

装载滚轮的辊轴转动，有靠链条带动或齿轮带动，相对而言齿轮传动平稳可靠。

需要注意的四传送滚轮之间有间隙，这就使得小尺寸板及柔软的板不能传送，因此要考虑滚轮的密度，或附加“过桥”，使得小尺寸板与挠性板也能传送，已有设备称能传送最薄26µm的薄片。

（2）垂直传送――垂直喷淋

垂直传送蚀刻是通过将板子放置在架子上，这样板子可以下降到喷洒盒的区域。

随着大量的，喷嘴上下或左右运动来进行蚀刻，以达到理想的效果，如图2-6所示。

2-6垂直喷淋蚀刻系统示意图

2.2.2喷淋蚀刻的喷淋方式

为了使溶液能全面地喷淋到板子表面每个部位，并促使板面溶液加快流动，可采用方式是移动喷淋杆或喷嘴来改变喷淋方式。

目前的水平传送喷淋蚀刻设备的喷嘴与喷淋杆摆动的结构有多种。

为提高蚀刻均匀性，可使喷淋液不固定，让喷嘴摆动。

摆动方式有：

转动喷管摇摆喷嘴角度、平移喷管移动喷嘴位置及水平旋转喷管而使喷嘴旋转喷液。

2.2.3喷嘴的类型

喷嘴的类型也有多种，按照喷出液体形状不同有：

实心线束型、空心圆锥形、扁平扇形等

，如图2-7所示。

实心线束型扁平扇形空心圆锥形

图2-7蚀刻喷嘴类型

从液体被喷射出不同形状的效果来看，实心线束型面积太小，圆锥形面积过大，在较密滚轮情况下都被遮挡掉了。

因此较多蚀刻机中喷嘴选择了扁平扇形，溶液呈扇面与板子表面呈垂直状态冲击铜箔，蚀刻效果较好。

需要注意的是，在蚀刻溶液中若混有固体颗粒，一定时间后会引起喷嘴堵塞。

因此要经常检查喷嘴的喷淋效果，清洗喷嘴是维护设备工作之一。

现在有一种防堵塞喷嘴，也称自清洗喷嘴，它是根据伯努利（Bernoulli）效应而设计。

DanielBernoulli是18世纪时的瑞士科学家，他发现二张纸片间微风吹动会分开，而当风力越大纸片会接近靠拢。

利用此原理，在喷头内有二页薄片，当喷压大时二页片间成狭缝有力地喷淋溶液，而当二页片间有杂物堵住，流量和压力减少，二页片间缝隙变大，杂物自行被冲洗掉，所以称为自清洗喷嘴。

3.蚀刻反应的基本原理及故障和排除方法

3.1酸性氯化铜蚀刻液

酸性氯化铜蚀刻液主要成份有：

CuCl2·2H2O、HCl、NaCl、NH4Cl，氯化铜为主要成分，可根据需求选用辅助成分。

3.1.1酸性蚀刻液的配方

我国采用酸性氯化铜蚀刻液的配方有多种，现摘选三例，见表3-1。

表3-1酸性蚀刻液配方

组分

1

2

3

氯化铜（CuCl2·2H2O）（g/L）

130-190

200

150-450

盐酸（HCl）（mL/L）

150-180

100

-

氯化钠（NaCl）（g/L）

-

100

-

氯化铵（NH4Cl）（g/L）

-

-

饱和

3.1.2酸性蚀刻液的蚀刻机理

根据蚀刻总机理反应式：

Cu2+＋Cu→2Cu+，反应中有Cu+的产生，它会和溶液中的Cl-直接生成氯化亚铜沉淀，可使反应向右进行，但氯化亚铜沉淀会给蚀刻过程带来一系列问题，需要进行预防和避免。

1氯化亚铜沉淀不利因素

（1）沉淀物分析

沉淀物很容易覆盖在板子的表面，阻碍蚀刻的进一步进行；沉淀会堵塞喷嘴，使蚀刻溶液的喷射无法均匀到达板子的表面，造成蚀刻不完全。

（3）溶液再生分析

整个蚀刻溶液是需要再生的，但CuCl是沉淀形式很难被再生。

如何来解决沉淀带来的不利因素呢？

考虑到氯化亚铜可在过量Cl-环境中生成[CuCl2]-配离子，并且Cl-不会阻碍蚀刻的进行，因此，可以在酸性氯化铜蚀刻液中加入过量的氯离子，使一价铜离子以配离子形式存在，配离子为离子状态，不会覆盖板面和堵塞喷嘴；配离子容易被再生，解决沉淀带来的问题。

2酸性蚀刻机理

二价铜离子在过量Cl-环境中也是以[CuCl4]2-配离子形式存在的，它对单质铜的氧化能力可以正常实现，根据上述分析，认为酸性蚀刻液的蚀刻机理为：

氯离子与二价铜离子生成四氯合铜（II）配离子：

Cu2+＋4Cl-→[CuCl4]2-

[CuCl4]2-和铜反应，生成二氯合铜（I）配离子：

Cu＋[CuCl4]2-→2[CuCl2]-

需要注意的是，若溶液中氯离子含量不足，蚀刻液中还是会产生CuCl沉淀。

从上面的蚀刻机理过程反应式中可以看出，随着蚀刻的进行，溶液中的[CuCl4]2-形式越来越少，而[CuCl2]-形式越来越多，并且是成倍的增长。

蚀刻液的蚀刻能力很快就会下降，以至最后失去蚀刻能力。

为了保持蚀刻液的蚀刻能力，需要对蚀刻液进行再生，其再生的本质是使Cu+重新转变成Cu2+，恢复蚀刻液的蚀刻能力。

蚀刻反应式可表述为：

[CuCl2]-+2Cl-+[O]→[CuCl4]2-

3.1.3影响酸性蚀刻液蚀刻速率的因素

酸性蚀刻液中参与蚀刻过程的各种成分对蚀刻速率都会有影响。

1．Cu2+含量的影响

溶液中的Cu2+含量对蚀刻速率有比较重要的影响。

一般情况下，蚀刻速率会随着Cu2+含量的增加而增加，当溶液中Cu2+浓度低于120g/L时，蚀刻速率较低，不能满足生产的需求；在高于150g/L时蚀刻速率反而下降。

在120-150g/L范围之间，蚀刻液的蚀刻速率能比较好的满足生产的需求。

而我们知道，随着蚀刻和蚀刻液再生过程的不断进行，蚀刻液中Cu2+含量会成倍增加。

当铜含量增加到150g/L后，蚀刻速率就会下降了。

为了保持蚀刻液具有恒定的蚀刻速率，必须把溶液中的含铜量控制在一定的范围内。

在实际生产中一般是采用控制溶液比重的方法来控制溶液的含铜量，控制范围是120-150g/L之间。

Cu2+含量对蚀刻速率影响如图3-1所示。

图3-1含铜量对蚀刻速率影响

2．Cl-含量的影响

溶液中氯离子浓度与蚀刻速率有着密切的关系，一般说来，蚀刻速率会随着Cl-含量的增加而提高，在酸性氯化铜蚀刻液中Cu2+和Cu+实际上都是以配离子的形式存在，蚀刻液的配制和再生都需要有充足的Cl-。

Cl-主要HCl提供，HCl含量大蚀刻时间短、蚀刻液的溶铜能力也会提升。

但HCl浓度不可超过6mol/L，高于6mol/L酸的挥发量大且会对设备产生腐蚀，并且随着酸浓度的增加，氯化铜的溶解度会迅速降低，减少起氧化作用的Cu2+含量。

3．Cu+含量的影响

较微量的Cu+，例如4g/LCu+含在120g/LCu2+的溶液中就会显著地降低蚀刻速率。

根据蚀刻反应机理，随着蚀刻的进行就会形成Cu+。

Cu+不可能完全被转换为配离子。

在蚀刻操作中要保持Cu+的含量在一个低的范围内，例如低于2g/L，并要尽可能快地使其重新氧化成Cu2+。

4．蚀刻液中的氯化物的种类

蚀刻液中所采用的氯化物种类不同，对蚀刻速率有很大影响，在一个较宽的蚀铜范围内，若采用NH4Cl，则溶液蚀刻速度较快，这对于生产是有利的。

但是，随着温度的降低，溶液中会有一些铜铵氯化物结晶沉淀，（CuCl2·2NH4Cl）。

而含NaCl的溶液蚀刻速率接近含HCl的溶液的蚀刻速率。

因此，通常在喷淋蚀刻中多选用HCl和NaCl两种氯化物。

5．温度的影响

蚀刻温度对蚀刻速率的影响是：

随着温度的升蚀刻速率加快。

蚀刻温度低，蚀刻速率较慢，不能满足生产的需求，但是，温度也不宜过高，温度太高会引起HCl过多地挥发，造成溶液组分比例失调。

一般控制在40-55oC范围内。

另外，如果蚀刻液温度过高，某些抗蚀层会被损坏。

6．溶液的pH值:

酸性氯化铜蚀刻液的pH值一般为1.5。

3.1.4酸性蚀刻液的再生

双氧水再生法

主要的再生反应为：

[CuCl2]-+H++H2O2+Cl-→[CuCl4]2-+H2O

因H2O2不稳定可分解提供初生态氧［Ｏ］，使得蚀刻液再生速率快，因此只需要40-70秒即可完成再生，是目前酸性氯化铜蚀刻液再生的最佳方法。

一般在蚀刻操作中蚀刻和蚀刻液再生过程是同时进行的，并用自动控制再生系统来控制溶液的成分含量等条件。

在自动控制再生系统中，通过控制氧化—还原电位H2O2与HCl的添加比例、比重和液位、温度等项参数，可以达到实现自动连续再生的目的。

由于蚀刻、蚀刻液再生过程中H2O2和HCl的不断添加，蚀刻液的体积不断增加。

当溶液位超过一定高度时，要让多余的液体溢流出去。

3.1.5酸性蚀刻液常见故障及排除方法

酸性氯化铜蚀刻溶液常见故障及排除方法见表3-2。

表3-2酸性蚀刻液常见故障及排除方法

故障

产生原因

排除方法

蚀刻不完全

1.传递速度过快

2.溶液温度不够或火调

3.喷嘴堵塞

4.显影有余胶

1.降低传递速率

2.将温度调至工艺范围之内

3.清洗喷嘴

4.检查曝光显影工艺

侧蚀严重

1.蚀刻速度过慢

2.溶液失调

1.将速度调至工艺范围之内

2.调整溶液

抗蚀剂破坏

1.溶液温度过高

2.溶液被污染

1.降低温度至规定范围

2.更换溶液

蚀刻液中出现沉淀

Cl-浓度过低产生CuCl沉淀

加入盐酸直至沉淀溶解

重点提示：

酸性蚀刻液容易产生的白色沉淀，对生产不利，需要注意保持氯离子的浓度以避免发生沉淀现象。

蚀刻液中各项离子的含量、蚀刻液温度的控制以及蚀刻液再生等都直接影响蚀刻的质量。

3.2碱性氨类蚀刻液

碱性氯化铜蚀刻液是目前应用最广泛的图形蚀刻液,主要成分有CuCl2、NH4Cl、NH3·H2O、NH4·HCO3等。

特性:

不与锡铅发生任何反应,容易再生，成本低，也很容易回收,蚀铜速度快，侧蚀小，溶铜能力高，蚀刻速率易控制

3.2.1碱性蚀刻液的配方

碱性蚀刻液配方有多种，国内目前大多采用的配方见表3-3。

表3-3碱性氯化铜蚀刻液配方

成分

CuCl2·2H2O

NH4Cl

NH3·H2O

NH4·HCO3（缓冲剂）

含量

100-150g/L

100g/L

670-700mL/L

按工艺规定添加

3.2.2碱性蚀刻液的蚀刻机理

碱性蚀刻遵循的总机理依然是Cu2+＋Cu→2Cu+，在碱性蚀刻液配方中含有大量的氨，氨可作为配体和铜离子生成配离子，其蚀刻过程是配离子的反应过程，其蚀刻机理如下：

在氯化铜溶液中加入氨水，发生配合反应：

CuCl2+4NH3→[Cu（NH3）4]2++2Cl-

在蚀刻过程中，未被抗蚀剂覆盖的板面上的铜被[Cu（NH3）4]2+配离子氧化，其蚀刻反应如下：

[Cu（NH3）4]2++Cu→2[Cu（NH3）2]+

所生成的[Cu（NH3）2]+为Cu+的配离子，不具有蚀刻能力。

从上述反应可看出，每蚀刻1摩尔的铜需要消耗4摩尔的氨或氯化铵。

所以在蚀刻过程中，随着铜不断被蚀刻，应不断补充氨水或氯化铵。

3.2.3碱性蚀刻液的再生与蚀刻液特点

1．蚀刻液再生

碱性蚀刻液再生方法很多，有结晶法、萃取法、中和法及空气再生法等。

而前三种再生方法是在溶液使用一段时间后，累积的Cu+浓度太高，通过再生以达到降低其浓度的目的。

这些方法在生产中已很少被采用。

空气再生法是目前最常用的方法，蚀刻液再生的本质依然是将溶液中Cu+氧化成Cu2+的相应形式，其反应式为：

[Cu（NH3）2]++NH3+[O]→[Cu（NH3）4]2++H2O

2．蚀刻液特点

（1）蚀刻速率

蚀刻速率快，喷淋蚀刻可达40μm/min；蚀刻速率比较容易控制。

通过控制溶液的pH值，比重以及Cl-含量可使蚀刻速率均匀恒定。

（2）溶铜量

溶铜量大，可达150-160g/L以上。

（3）再生与维护

再生容易，采用喷淋蚀刻，空气再生法即可满足生产的需求；蚀刻液维护方便，可通过监控溶液的pH值、比重及氧化还原电位，实现自动添加。

（4）成本

成本低，溶液经配好后，可一直连续使用。

碱性氯化铜蚀刻液的缺点是对环境污染较严重，污水处理困难。

但只要保证设备的密封性及严格按规定排放废弃溶液，这一缺点是可以克服的。

重点提示：

对蚀刻液的蚀刻机理要理解透彻，碱性蚀刻液中各项离子的含量、蚀刻液温度的高低以及蚀刻液再生等如何影响蚀刻的质量，并且碱性蚀刻液的pH范围也是需要重点控制的参数。

3.2.4碱性蚀刻液常见故障及排除方法

在碱性蚀刻过程中的常见故障及排除方法见表3-4。

表3-4碱性蚀刻液常见故障及排除方法

故障

产生原因

排除方法

叠板

个别传动轴停传或装配不到位

将