淺談蝕刻設備與真空蝕刻機

      將覆銅箔板表面由化學蝕刻去除不需要的銅導體,留下是需要的銅導體形成線路圖形,這種減去法工藝是當前印制板加工的主流。對銅實現化學蝕刻的關鍵是蝕刻溶液、蝕刻設備和蝕刻操作條件。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, 這方面在深入改進的是提高蝕刻溶液的蝕刻速率、穩定性與再生利用。蝕刻操作條件是對溫度、壓力、時間以及溶液濃度等工藝參數的控制, 使蝕刻過程處于最佳狀態。蝕刻設備是圍繞著生產效率、蝕刻速度和蝕刻均勻性而不斷改進, 現在就此來看設備的變化與特性。現在主流是水平傳送噴淋式,而由于噴淋結構差異也有不同效果。

　　蝕刻機的改進, 主要體現在傳送方式、噴淋方式, 目的是提高生產效率、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

　　回顧蝕刻設備的發展, 最早僅是一個蝕刻液槽或缸, 存放了蝕刻液, 覆銅板掛浸在里面溶液中去除未保護的銅; 后又使蝕刻液攪動或板子擺動, 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, 噴管旋轉的離心力把溶液飛濺于板面上實現蝕刻銅。由于板子固定放置于槽內, 人工放板與取板效率低, 且勞動強度大。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。以后進一步發展是采用噴嘴與擺動結構。

　　水平傳送承載板子的載體曾是采用塑料編織網帶, 由蝕刻機兩頭輥輪轉動帶動塑料網的移動, 板子放在網上后不動的。這種網帶傳送的好處, 適合各種尺寸(長、寬與板厚)板子及撓性板的蝕刻, 其缺點是只能單面蝕刻, 雙面板要經翻板二次蝕刻。為能雙面同時蝕刻, 改為滾輪傳送, 這樣板子隨著滾輪前進, 上下都有空隙可噴淋溶液于板面。裝載滾輪的輥軸轉動, 有靠鏈條帶動或齒輪帶動, 相對而言齒輪傳動平穩可靠。因為傳送滾輪之間有間隙, 會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, 已有設備稱能傳送最薄25祄的薄片。

　　曾有垂直式傳送蝕刻機, 板子垂直掛吊于夾具上進入蝕刻機內, 在蝕刻室兩側溶液噴淋板面。由于蝕刻設備復雜和沒有體現優良的蝕刻效果, 因此沒被發展。現在主流是水平傳送噴淋式蝕刻機。

　　2. 噴淋桿或噴嘴的移動

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

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

　　3. 噴嘴的類型

 　　噴嘴的結構也有多種式樣, 按照噴出液體形狀不同有a.實心線束型、b.空心圓錐形、c.實心圓錐形、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。 

　　在蝕刻溶液中會混有固體顆粒, 一定時間后會引起噴嘴堵塞。因此要經常檢查噴嘴的噴淋效果, 清洗噴嘴是維護設備工作之一。現在有一種防堵塞噴嘴, 也稱自清洗噴嘴,它是根據伯努利(Bernoulli)效應而設計。Daniel Bernoulli是18世紀時的瑞士科學家, 他發現二張紙片間微風吹動會分開, 而當風力越大紙片會接近靠攏, 如圖2所示。利用此原理, 在噴頭內有二頁薄片, 當噴壓大時二頁片間成狹縫有力地噴淋溶液; 而當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. 常規設備蝕刻對精細線路的影響

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

　　在板子雙面同時噴淋蝕刻過程中, 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形成蝕刻液的“水池”, 影響蝕刻均勻性與引起側蝕。如圖3與圖4所示。盡管通過改進噴嘴結構與噴桿擺動方式, 可以減少板面“水池”,改善蝕刻均勻性, 但板面的“水池”還存在, 對精細線條與厚銅箔的蝕刻精度帶來不良影響。

 　　5. 真空蝕刻機

　　1) 真空蝕刻機結構

   真空蝕刻機是由德國Pillek公司最早開發,在2001年推出, 據說在美國、德國、日本與中國都申請了專利, 多年來對設備又進行了改良。

   真空蝕刻機的一組模塊結構。它包括三臺潛水泵, 一臺是上噴淋, 一臺是下噴淋,分別向上下板面噴射新鮮蝕刻液。第3臺泵是為產生真空作用的細腰形的文丘里(Venturi)噴管服務。文丘里管有三個口, 第3臺泵使溶液在文丘里噴管循環, 噴管斜向上端管口產生負壓, 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。

　　真空吸液頭是設計成扁平的狹縫, 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。蝕刻噴淋的上、下噴頭是扁平的扇形噴嘴, 對基板有強的沖擊力。

　　真空蝕刻機有其它一般蝕刻機類似的控制功能結構, 有溶液成份、比重、溫度等監測控制系統, 有噴淋壓力、流量檢測調整系統, 有噴頭堵塞報警裝置等。真空蝕刻機可使用酸性氯化銅、堿性氯化銅和三氯化鐵等多種蝕刻液。

　　2)真空蝕刻機的效果

　　確認蝕刻的均勻性試驗, 是采用35μm銅箔的覆箔層壓板分別在常規與真空這兩種蝕刻機上進行全板面蝕刻, 約板中間銅箔蝕刻到18μm厚度時停止, 檢測全板面銅厚度分布。常規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, 常規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。

　　采用真空蝕刻機使得線寬/線距≤30/30μm的線路圖形容易實現。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。蝕刻機中真空吸嘴對板面溶液的吸引量應是等于或稍大于噴淋量, 若吸引量小又會造成老溶液滯留。噴淋壓力會影響到蝕刻速度與側腐蝕程度, 但壓力大會破壞抗蝕刻膜, 尤其是細節距線路圖形上。對于線寬/線距=30/30μm線路, 常規設備下被蝕刻銅箔厚度小于12μm, 真空蝕刻時銅箔厚度18μm也可加工。可參考的數據, 線寬/線距=30/30μm, 采用18μm銅箔, 噴淋壓力0.1Mpa (1.02kgf/cm2)時吸引量40Hz (約120L/min), 得到均勻的線路圖形。

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