淺談蝕刻設(shè)備與真空蝕刻機(jī)

      將覆銅箔板表面由化學(xué)蝕刻去除不需要的銅導(dǎo)體,留下是需要的銅導(dǎo)體形成線路圖形,這種減去法工藝是當(dāng)前印制板加工的主流。對(duì)銅實(shí)現(xiàn)化學(xué)蝕刻的關(guān)鍵是蝕刻溶液、蝕刻設(shè)備和蝕刻操作條件。蝕刻溶液目前是以氯化銅與鹽酸的酸性氯化銅蝕刻液,及以氯化銅與氨水的堿性氯化銅蝕刻液為主流, 這方面在深入改進(jìn)的是提高蝕刻溶液的蝕刻速率、穩(wěn)定性與再生利用。蝕刻操作條件是對(duì)溫度、壓力、時(shí)間以及溶液濃度等工藝參數(shù)的控制, 使蝕刻過程處于最佳狀態(tài)。蝕刻設(shè)備是圍繞著生產(chǎn)效率、蝕刻速度和蝕刻均勻性而不斷改進(jìn), 現(xiàn)在就此來看設(shè)備的變化與特性?，F(xiàn)在主流是水平傳送噴淋式,而由于噴淋結(jié)構(gòu)差異也有不同效果。

　　蝕刻機(jī)的改進(jìn), 主要體現(xiàn)在傳送方式、噴淋方式, 目的是提高生產(chǎn)效率、蝕刻速度和蝕刻均勻性。

 

　　1. 板子的傳送: 固定式、水平式、垂直式

　　回顧蝕刻設(shè)備的發(fā)展, 最早僅是一個(gè)蝕刻液槽或缸, 存放了蝕刻液, 覆銅板掛浸在里面溶液中去除未保護(hù)的銅; 后又使蝕刻液攪動(dòng)或板子擺動(dòng), 稍些提高蝕刻速度。此后, 在蝕刻液槽中間有一根噴管, 板子豎直放于槽體周圍, 噴管旋轉(zhuǎn)的離心力把溶液飛濺于板面上實(shí)現(xiàn)蝕刻銅。由于板子固定放置于槽內(nèi), 人工放板與取板效率低, 且勞動(dòng)強(qiáng)度大。那種條件下加工的板子線條寬度/間距在0.5mm以上。

　　后來采用水平傳送板子, 泵輸送溶液至噴管噴淋溶液, 初期還沒有用到噴嘴, 僅采用塑料管上開小孔或縫隙噴淋出的溶液, 壓力較小。以后進(jìn)一步發(fā)展是采用噴嘴與擺動(dòng)結(jié)構(gòu)。

　　水平傳送承載板子的載體曾是采用塑料編織網(wǎng)帶, 由蝕刻機(jī)兩頭輥輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)塑料網(wǎng)的移動(dòng), 板子放在網(wǎng)上后不動(dòng)的。這種網(wǎng)帶傳送的好處, 適合各種尺寸(長、寬與板厚)板子及撓性板的蝕刻, 其缺點(diǎn)是只能單面蝕刻, 雙面板要經(jīng)翻板二次蝕刻。為能雙面同時(shí)蝕刻, 改為滾輪傳送, 這樣板子隨著滾輪前進(jìn), 上下都有空隙可噴淋溶液于板面。裝載滾輪的輥軸轉(zhuǎn)動(dòng), 有靠鏈條帶動(dòng)或齒輪帶動(dòng), 相對(duì)而言齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)可靠。因?yàn)閭魉蜐L輪之間有間隙, 會(huì)使小尺寸板及柔軟的板不能傳送, 這就要考慮滾輪的密度, 或附加“過橋”, 使得小尺寸板與撓性板也能傳送, 已有設(shè)備稱能傳送最薄25祄的薄片。

　　曾有垂直式傳送蝕刻機(jī), 板子垂直掛吊于夾具上進(jìn)入蝕刻機(jī)內(nèi), 在蝕刻室兩側(cè)溶液噴淋板面。由于蝕刻設(shè)備復(fù)雜和沒有體現(xiàn)優(yōu)良的蝕刻效果, 因此沒被發(fā)展。現(xiàn)在主流是水平傳送噴淋式蝕刻機(jī)。

　　2. 噴淋桿或噴嘴的移動(dòng)

　　為了使溶液能全面地噴淋到板子表面每個(gè)部位, 并促使板面溶液加快流動(dòng), 是移動(dòng)噴淋桿或噴嘴。

　　目前的水平傳送噴淋式蝕刻設(shè)備的噴嘴與噴淋桿擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)有多樣不同。使得噴淋溶液不固定于一個(gè)位置, 就讓噴嘴擺動(dòng)。擺動(dòng)方式有的是轉(zhuǎn)動(dòng)噴管搖擺噴嘴角度, 有的是平移噴管移動(dòng)噴嘴位置, 也有水平旋轉(zhuǎn)噴管而使噴嘴旋轉(zhuǎn)噴液。噴嘴擺動(dòng)方式不同, 目的是為提高蝕刻均勻性。

　　3. 噴嘴的類型

 　　噴嘴的結(jié)構(gòu)也有多種式樣, 按照噴出液體形狀不同有a.實(shí)心線束型、b.空心圓錐形、c.實(shí)心圓錐形、d.扁平扇形等, 如圖1所示。從噴射液體不同形狀的效果來看, 實(shí)心線束型面積太小, 圓錐形面積過大, 在較密滾輪情況下都被遮擋掉了。因此較多蝕刻機(jī)中選擇扁平扇形噴嘴, 溶液呈扇面與板子表面垂直沖擊銅箔, 效果較好。 

　　在蝕刻溶液中會(huì)混有固體顆粒, 一定時(shí)間后會(huì)引起噴嘴堵塞。因此要經(jīng)常檢查噴嘴的噴淋效果, 清洗噴嘴是維護(hù)設(shè)備工作之一?，F(xiàn)在有一種防堵塞噴嘴, 也稱自清洗噴嘴,它是根據(jù)伯努利(Bernoulli)效應(yīng)而設(shè)計(jì)。Daniel Bernoulli是18世紀(jì)時(shí)的瑞士科學(xué)家, 他發(fā)現(xiàn)二張紙片間微風(fēng)吹動(dòng)會(huì)分開, 而當(dāng)風(fēng)力越大紙片會(huì)接近靠攏, 如圖2所示。利用此原理, 在噴頭內(nèi)有二頁薄片, 當(dāng)噴壓大時(shí)二頁片間成狹縫有力地噴淋溶液; 而當(dāng)二頁片間有雜物堵住, 流量和壓力減少, 二頁片間縫隙變大, 雜物自行被沖洗掉, 所以是自清洗噴嘴。

　　4. 常規(guī)設(shè)備蝕刻對(duì)精細(xì)線路的影響

　　上述一系列的設(shè)備改進(jìn)是起到提高生產(chǎn)效率、蝕刻速度與蝕刻均勻性?，F(xiàn)在主流是水平傳送噴淋式蝕刻機(jī), 基本能勝任薄銅箔的50祄以上線寬/線距圖形蝕刻。但對(duì)更細(xì)線路或較厚銅箔設(shè)備能力受到限制。

　　在板子雙面同時(shí)噴淋蝕刻過程中, 顯然下表面蝕刻速度與蝕刻均勻性要比上表面好, 上表面的板四周蝕刻速度快于中間部位。這主要由于通常的噴淋蝕刻過程中板子上表面會(huì)形成蝕刻液的“水池”, 影響蝕刻均勻性與引起側(cè)蝕。如圖3與圖4所示。盡管通過改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)與噴桿擺動(dòng)方式, 可以減少板面“水池”,改善蝕刻均勻性, 但板面的“水池”還存在, 對(duì)精細(xì)線條與厚銅箔的蝕刻精度帶來不良影響。

 　　5. 真空蝕刻機(jī)

　　1) 真空蝕刻機(jī)結(jié)構(gòu)

   真空蝕刻機(jī)是由德國Pillek公司最早開發(fā),在2001年推出, 據(jù)說在美國、德國、日本與中國都申請(qǐng)了專利, 多年來對(duì)設(shè)備又進(jìn)行了改良。

   真空蝕刻機(jī)的一組模塊結(jié)構(gòu)。它包括三臺(tái)潛水泵, 一臺(tái)是上噴淋, 一臺(tái)是下噴淋,分別向上下板面噴射新鮮蝕刻液。第3臺(tái)泵是為產(chǎn)生真空作用的細(xì)腰形的文丘里(Venturi)噴管服務(wù)。文丘里管有三個(gè)口, 第3臺(tái)泵使溶液在文丘里噴管循環(huán), 噴管斜向上端管口產(chǎn)生負(fù)壓, 通過管道延伸到上板面處的吸液頭, 就可把板面溶液吸去, 不使蝕刻液滯留在板面。

　　真空吸液頭是設(shè)計(jì)成扁平的狹縫, 固定在離基板表面約0.5mm距離的位置,與上部傳送壓輥成一體化, 可隨著板厚薄而升降浮動(dòng)。蝕刻噴淋的上、下噴頭是扁平的扇形噴嘴, 對(duì)基板有強(qiáng)的沖擊力。

　　真空蝕刻機(jī)有其它一般蝕刻機(jī)類似的控制功能結(jié)構(gòu), 有溶液成份、比重、溫度等監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng), 有噴淋壓力、流量檢測(cè)調(diào)整系統(tǒng), 有噴頭堵塞報(bào)警裝置等。真空蝕刻機(jī)可使用酸性氯化銅、堿性氯化銅和三氯化鐵等多種蝕刻液。

　　2)真空蝕刻機(jī)的效果

　　確認(rèn)蝕刻的均勻性試驗(yàn), 是采用35μm銅箔的覆箔層壓板分別在常規(guī)與真空這兩種蝕刻機(jī)上進(jìn)行全板面蝕刻, 約板中間銅箔蝕刻到18μm厚度時(shí)停止, 檢測(cè)全板面銅厚度分布。常規(guī)蝕刻得到的銅厚度分布通常是中央呈高山狀(圖7a.), 而真空蝕刻得到的銅厚度分布均勻(圖7b.)。在600mm長度內(nèi), 常規(guī)蝕刻的中央與邊緣銅厚度差約有±4μm (18～10μm), 而真空蝕刻的中央與邊緣銅厚度差僅約±1μm (19～17μm), 后者只是前者的四分之一。

　　采用真空蝕刻機(jī)使得線寬/線距≤30/30μm的線路圖形容易實(shí)現(xiàn)。而要得到理想的效果其中還需把握的是真空力度、噴淋壓力和銅箔厚度等因素。蝕刻機(jī)中真空吸嘴對(duì)板面溶液的吸引量應(yīng)是等于或稍大于噴淋量, 若吸引量小又會(huì)造成老溶液滯留。噴淋壓力會(huì)影響到蝕刻速度與側(cè)腐蝕程度, 但壓力大會(huì)破壞抗蝕刻膜, 尤其是細(xì)節(jié)距線路圖形上。對(duì)于線寬/線距=30/30μm線路, 常規(guī)設(shè)備下被蝕刻銅箔厚度小于12μm, 真空蝕刻時(shí)銅箔厚度18μm也可加工?？蓞⒖嫉臄?shù)據(jù), 線寬/線距=30/30μm, 采用18μm銅箔, 噴淋壓力0.1Mpa (1.02kgf/cm2)時(shí)吸引量40Hz (約120L/min), 得到均勻的線路圖形。

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