毕业设计论文
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题目印制电路板的内层蚀刻工艺
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毕业设计(论文)中文摘要
（题目）：浅谈印制电路板的内层蚀刻工艺摘要：蚀刻就是将一种将材料使用化学反应或物理撞击作用而移除的技术，同样蚀刻也是印制电路板制作工业中重要的一步。在PCB产业中，蚀刻就犹如地基一样起着支撑连接的作用，在印制电路板生产过程中如果蚀刻阶段出现了问题将会影响板子的最终质量与品质，特别是在生产细纹或者高密度印制电路板时，尤为重要。本文主要讲述了蚀刻中的内层蚀刻的流程、内层酸性蚀刻的原理及影响酸性蚀刻速率之因素。关键词：印制电路板蚀刻内层蚀刻
毕业设计(论文)外文摘要
Title: Study on inner layer etching process in the production of printed circuit boardAbstract：Etching is a kind of chemical reactions or physical impact the material used and removing technology, the same etching is important step in printed circuit board production industry. Etching in PCB industry, just like the foundation support connection role, if etching stages in the process of printed circuit board production problems will influence the final quality and the quality of the board, especially in the production of fine lines or high-density printed circuit board, is particularly important. This article mainly tells the story of etching of the inner lining etching process, the principle of acid etching and influence factors of acid etching rate.keywords：Printed circuit boardEtchingThe inner layer etching
目录
摘要 ………………………1
目录 ………………………3
1.引言 ………………………3
2.内层蚀刻的目的及流程 ………………………4
2.1目的 ………………………4
2.2 内层蚀刻流程 ………………………4
2.3主要流程介绍 ………………………5
2.4主要控制因子 ………………………5
3.内层酸性蚀刻简介 ………………………6
3.1什么是酸性蚀刻 ………………………6
3.2酸性蚀刻液的种类 ………………………6
3.3氯酸钠和盐酸型蚀刻再生液的简介 ………………………7
4.影响蚀刻速率之因素 ………………………7
4.1铜含量的影响 ………………………7
4.2 Cu2+含量之影响 ………………………8
4.3 CL-含量的影响 ………………………8
4.4 氯酸钠含量之影响 ………………………9
4.5 温度对蚀刻速度之影响 ………………………9
4.6蚀刻制程的控制 ………………………9
5.影响蚀刻速率的蚀刻因子 ………………………10
5.1蚀刻因子(Etching Factor) ………………………10
5.2影响蚀刻的因子 ………………………11
5.3 影响蚀刻的因子与蚀刻速率的关系 ………………………11
5.4制程参数 ………………………14
6.分析问题与改善对策 ………………………15
结论 ………………………17
参考文献 ………………………17
1. 引言
内层蚀刻是指在通过曝光制版、显影后,将要把蚀刻区域的保护膜去除,在蚀刻时接触化学药水溶液,达到溶解腐蚀的作用,形成凹凸或镂空成型的效果。在此背景下，本文将对内层蚀刻工艺做一些简单的介绍，对我在蚀刻制程实习生产中遇到的一些品质问题做简单的探讨，对改善工作规范、提高蚀刻效率、减少板子报废方面做相关分析，并给出一些个人的看法与见解。而内层蚀刻也是印制电路板中最重要的一步，若蚀刻质量不好，就会影响板子最终的质量。内层蚀刻绝大部分都使用的是酸性蚀刻。因此酸性蚀刻的速率对内层蚀刻起着决定性的作用，必须根据蚀刻的要求，正确的选择蚀刻溶液，严格使用蚀刻液进行蚀刻。
2. 内层蚀刻的目的及流程
2.1目的
将基板上不需要铜的区域,以蚀刻液去除,使线路成形。
2.2 内层蚀刻流程
显影蚀刻去膜
1.内层曝光2.内层显影
4.内层去膜3.内层蚀刻
续流程
制程流程机台名称图示前图片后图片备注
内层蚀刻显影显影线以碳酸钠将未聚合的干膜显影去除
蚀刻微蚀线咬蚀铜面形成线路
去膜氢氧化钠去除板面残余干膜
2.3主要流程介绍
显影水洗1蚀刻水洗2去膜水洗3酸洗烘干
显影段:将未曝光的干膜去除后，使用1.0%的碳酸钠溶液通过一定的压力冲洗溶解并去除干膜。
水洗段:清洗板面残留的药液和膜屑。
蚀刻段:蚀刻掉没有覆盖干膜的基板铜后。使用盐酸，氯化铜和氯酸钠的混和溶液，通过AQUA调节槽内的药水浓度使制程达到稳定。
水洗段:清洗板面残留的药液和膜屑。
去膜段:去除掉板面残留的干膜后使用3±0.5%的氢氧化钠溶液通过高压冲
洗的方式去除掉干膜。
水洗段:清洗板面残留药液。
酸洗段:清洗板面的铜盐。
烘干段:吹干板面的水滴和洗液。
2.4主要控制因子
a.显影点50±5%，控制显影效果，防止显影过度或显影不洁。
b.蚀刻点70±5%，控制蚀刻的效果，防止蚀刻过度或不洁。
c.蚀刻均匀性小于10%，控制板面咬蚀量的差异，避免局部咬蚀过度或不足。
d.去膜点40±5%，防止去膜不净。
3.内层酸性蚀刻简介
3.1什么是酸性蚀刻
酸性蚀刻也称为氯化铜酸性蚀刻系统，通常使用于单面板的蚀刻，多层板的内层蚀刻或者Tenting流程的外层蚀刻上，因这些制程都用干膜或者液态感光油墨作为蚀刻阻剂，而这几种感光材料相对于而言都有耐酸不耐碱性的特性，故在内层蚀刻中大多选用酸性蚀刻。
3.2酸性蚀刻液的种类
3.2.1.氯化铁system:
铁与盐酸作用得氯化亚铁溶液，再经氯化而得氯化铁。
* 适用抗蚀膜:干膜或油墨
* 缺点:
a.蚀刻速率慢(0.8-1 mil/min)
b.容铜量小(铜含量<50-80g/L)
c.废液较无回收价值
3.2.2.氯化铜system:
a.以CuCl2当氧化剂，以氯酸钠和盐酸为再生液。
b.以CuCl2当氧化剂，以双氧水和盐酸为再生液。
* 适用抗蚀膜:干膜或油墨
* 优点:与氯化铁比较
a.蚀刻速率快(约1.8 mil/min)
b.容铜量大(氯酸钠系列铜含量:130-180g/L)
(双氧水系列铜含量:110-130g/L)
c.废液有回收价值，可减少环境污染。
d.药液成本较低。
3.3氯酸钠和盐酸型蚀刻再生液的简介
(1).适用的制程:内层DES线
(2).优点为
a.蚀刻速率快(1.8mil/min)、侧蚀小、适
合于精细线路(＜4mil)的制作。
b.容铜量大、易再生和回收，并且减少污染。
c.可以利用AQUA的方式来自动控制药液的浓度。
(3).氯酸钠/盐酸蚀铜原理
a.蚀铜反应:3Cu0+3CuCl2→6CuCl
b.再生反应:6CuCl+NaClO3+6HCl→6CuCl2+3H2O+NaCl
c.总反应:3Cu0+NaClO3+6HCl→3CuCl2+3H2O+NaCl
1.CuCl2是氧化剂，它能将板面上的Cu0氧化成Cu+,其蚀刻反应如(a)所示。
2.形成的CuCl不易溶于水中，在有过量的Cl-存在的情况下，形成可溶性的错离子，其反应如下所示:CuCl+2Cl- →(CuCl3)2-
3.伴随着铜的咬蚀，溶液中的中Cu+变得越来越多，蚀刻能力便会很快的下
降，所以可以通过氯酸钠氧化的方式对蚀刻液进行再生，使Cu+重新变为
Cu2+后才可以继续进行蚀刻。
4.氯酸钠的再生反应方程式如(2)所示，因为蚀铜反应是不断的循环进行，所以氯酸钠与盐酸都要周期性的对其添加。
5.为了提高此酸性蚀铜液的稳定性，便在其中添加了一些助剂以方便其达到加速和稳定的作用。
4. 影响蚀刻速率的因素
4.1铜含量的影响
Cu+↑蚀刻速率↓
根据蚀刻反应，随着铜的蚀刻就会产生Cu+，而微量的Cu+，例如：4g/l便可大大的降低Cu2+溶液中的蚀刻速率，所以要在蚀刻操作中保持Cu+含量在较低的范围内，例如:低于2g/l，尽可能使其氧化成Cu2+，可用能斯特方程式来控制Cu+的浓度。
E=E0+ 0.059 log[Cu2+]
n [Cu+]
式中:E---------指定浓度下的氧化还原电位
E0--------标准的电极电位
n---------电子数
[Cu2+]----二价铜离子的浓度
[Cu+]----一价铜离子的浓度
由以上的方程序可以看出氧化还原电位E和[Cu2+]/[Cu+]的log比值成正比。
电极电位(mv)E↑: [Cu2+] ↑； [Cu+] ↓
Cu+浓度与氧化还原电位之间的关系
从图中便可以看出随着溶液中Cu+浓度不断的升高，氧化还原电位也慢慢的下降，当氧化还原电位在530mV时，Cu+浓度大约0.4g/l。操作中都以控制溶液的氧化还原电位来控制溶液中Cu的浓度。一般氧化还原电位要控制在510~550mV左右，使Cu+ 控制在1g/l以下。
4.2 Cu2+含量之影响
Cu2+↑蚀刻速率↓
随着蚀刻反应不断的进行，蚀刻液中铜含量会不断的增加，当增加到一定浓度时，蚀刻速率便会下降。在生产过程中是采用控制溶液比重的方法来控制溶液的铜含量，比重控制在1.28~1.32的范围,此比重范围内铜含量大约为130~170g/l。
4.3 CL-含量的影响
CL-↑蚀刻速率↑
在氯酸钠型和盐酸的蚀铜液中Cu2+和Cu+实际上都以错离子的方式存在。当含有较多的CL-在溶液中时，Cu2+是以(Cu2+CL4)2-错离子的方式存在;Cu+是以(Cu+CL3)2-错离子方式存在。因此蚀刻液的再生和配置都需要有CL-的参与和反应。
添加的氯离子可以使蚀刻速率得到提高的原因有:
(1)在铜的蚀刻发生在氯化铜溶液中时，便会生成不易溶于水CuCl，同时还会在铜的表面生成一层氯化亚铜膜，能够阻止反应的进行。
(2)过量的氯能和CuCl错合形成可溶性的错离子能从铜的表面上溶解下来，从而提高了蚀刻速率。
4.4 氯酸钠含量之影响
氯酸钠↑蚀刻速率↑
随着蚀铜反应不断的进行(Cu+CL3)增加，直到反应终止，然而氯酸钠在酸性条件下氧化后(Cu+CL3)2-变成(Cu2+CL4)2- ，氧化还原电位在480~560mV之间时，氯酸钠含量控制在2.0 ~7.5 g/L之间。含量太高大于7.5g/l时，在添加过程中与盐酸发生副反应，从而产生氯气会造成空气污染及设备的损坏。
4.5 温度对蚀刻速度之影响
温度↑蚀刻速率↑
蚀刻速率会不断加快伴随着温度的升高，但是温度也不能控制的太
高，能控制在47~53℃之间的范围内即可。
温度太高的影响:
A.引起盐酸过多挥发从而造成溶液组成比例的失调。
B.容易攻击干膜，并对干膜浮离型的线路造成断路。
4.6蚀刻制程的控制
1.盐酸浓度:2.0-2.5 mol/L
2.氯酸钠浓度:20-60(AQUA)
3.Cu2+浓度:130-180g/L
4.ORP(氧化还原电位):510-550mv
5.比重:1.28-1.32
6.温度:50±3℃
7.蚀刻点:70±5%
8.蚀刻均匀性:<10% 公式:R/2Avg X 100%
9.Etching Factor:>3
Defect Mode :
1.蚀刻不净:蚀刻速度过、铜厚过厚、蚀刻均匀性差、蚀刻喷压过小。
2.蚀刻过度(线细):蚀刻速度过慢、铜厚过厚、蚀刻喷压过小。
5. 影响蚀刻速率的蚀刻因子
5.1蚀刻因子(Etching Factor)
蚀铜除了要做正面向下的蚀铜以外，蚀刻液也会攻击线路两侧无保护的铜面，我们称之为侧蚀(Undercut)。良好的蚀刻因子取决于侧蚀要小，咬蚀铜厚要大，此与设备能力与蚀刻药水相互关联。
底片線寬
A
B
A (Metal Thickness) B (Under Cut)
Etch Factor ＝
W
D
A
A+
W——线路宽度工作底片上量测的线路宽度
D——最短宽度在蚀刻后线路侧蚀后线路中的最短宽度
A——铜层厚度在垂直方向上线路的铜层厚度
B——蚀刻后线路单边咬蚀最深处的距离
A/（DWA-2A＋——铜层厚度蚀刻实际咬蚀板面上的铜层厚度
/)(2WD)Etch factor ＝ （内层） ， （外层）
5.2影响蚀刻的因子
* 化学药液:
1.pH值
2.铜含量(Copper content)
3.氯离子(Chloride concentration)
4.温度(Temperature)。
* 机器设备:
1.抽风(Ventilation)
2.补充系统(Replenishment system)
3.喷管压力及型式(Spray Pressure & Pattern)
4.水平速度(Conveyor speed)
* 制程管理:
1.蚀刻因子(Etching factor)
2.蚀刻点Control point
5.3 影响蚀刻的因子与蚀刻速率的关系
a.PH值
PH值↑蚀刻↑
* 在蚀刻的作业中，PH值是和活泼的氨气有相互关联的关系的。
* 一般情况下PH值要控制在8.2～8.6之间，当PH值低于8.2以下时，则氯的含量会慢慢增加。而当氯的含量增加时，则相对会提高对锡铅镀层的攻击次数。
* 若pH值高于8.6以上，则使侧蚀的机会得到增加，也同样会造成蚀刻因子(etching -factor)值的慢慢下降，而PH值通常会受到抽风系统与槽液、温度和补充系统间相互影响而变得有所变化。
* 蚀刻液PH值的测量会随温度变化而变得有所不同，可从下列公式中求出实际的PH值：
设操作温度为T，操作PH值为PH(T)，测量时温度为t，测量时的PH
值为PH(x)
则PH(x)＝PH(T)－(0.21×(T－t)÷10)。
* 蚀刻的补充液(子液)通常其PH值大约在9.7±0.2的范围之间，因为槽液在作业抽风下生产时，其工作负载及其它影响因素会降低操作范围，并维持在8.2～8.6之间。
b. 铜含量(Copper content)
铜含量↑ 蚀刻↓
* 当在蚀刻生产时铜含量会不断的增加，导致其侧蚀会较少，所以高铜含量的蚀刻液将会获得最理想的蚀刻作业效果。
* 铜含量规格:140～170g/l。
* 铜含量控制:蚀刻液比重控制器。
* 比重控制:1.205-1.215。
* 当铜离子偏低时,蚀铜速度将会变得很慢,这时可加入铜皮提升浓度。
铜皮Kg = (140-目前铜含量)*槽体积
1000
溶解完成后,须测定PH值。
c. 氯离子浓度(Chloride concentration)：
氯离子↑蚀刻↑
* 在目前的操作系统中，氯离子的浓度是以氨来管制，通常是以氯化氨(NH4Cl )，当氯浓度增加时，蚀刻速度变快，会增加侧蚀现象的产生。
* 氯离子过多会对镀锡表面产生变黑的情况。
* 氯离子规格:175-210g/L。
d. 温度(Temperature)：
* 当操作的不断进行温度会不断升高，蚀刻速度和侧蚀的程度也会慢慢增加，但是为了获得最小的侧蚀，温度须保持在蚀刻操作范围的下限，通常介于46 ～48℃左右(温度每下降4 ℃，比重就会提高0.001)，而且较低的温度将会带走较少的氨气，从而使PH值的能够控制在较低的抽风系统和自动添加补充装置下。
e. 抽風(Ventilation)：
* 功能:
1.排出多余的氨气，用来控制PH值。
2.带入足够的氧气，由外部补充进入蚀刻作业内，来维持其所需要的反应。
* 蚀刻槽内为负压。
f. 自动添加系统:
* 自动添加系统主要的组成部分:
1.暂存储藏部份。
2.添加泵浦。
3.比重控制器。
补充液为子液俗称“氨水”,是一种极为灵敏的比重计,而且感应当时温度(因温度不同,比重有差),设定上下限,高于上限时开始添加氨水,直至低于下限才停止,此时侦测点位置以及氨水加入口位置非常重要,以免侦测delay而加入过多氨水浪费成本(因会溢流掉)。
* 补充系统添加如果过多或过少的补充液时，则铜含量及pH值造成的变化幅度会相当大。
g.喷管压力及型式 (Spray Pressure & Type):
* 对于蚀刻的喷管位置及喷嘴分配压力的修正是以在板子上减少水池效应及药液能快速交换为原则。
* 蚀刻的品质往往会因水池效应而受到很大的。
* 水池效应:因积水阻扰了新鲜药液,从而使药液在表面上积存而不易被排走，让后来喷洒的新液无法直接打在待蚀铜的表面上 ，这也是为什么板子的前段部分总是会出现over etch现象。
A.影响水池效应的机械因素:
(1).喷嘴与水平输送的滚轮等排列情形。
(2).蚀刻液的喷压。
(3).整排喷嘴往复移动的速率。
(4).喷压和喷嘴，以及喷管中流量的调整。
B.如何降低水池效應的影響:
(1).板子较粗线路面朝上，较细线路面朝下。
(2).板子密集线路朝下。
(3).喷嘴在上喷和下喷时的压力调整以补偿.以实际的作业结果调整差异。
(4).垂直蚀刻方式,来解决两面不均问题。
h. 蚀刻速度(Conveyor speed ):
* 化学的控制参数控制在最佳状况下时，若传动速度变得太慢，蚀刻量的侧蚀状况也会不断增加，所以修正调整传动速度，是蚀刻作业人员所必须了解的一项内容。
* 传动速度必须参考铜厚度，一铜均匀性及铜含量、温度和PH值一样做一详细的测试，才能设定出蚀刻作业中最佳的传动速度。
5.4制程参数
名称氨水蚀刻液
铜离子含量 140-170g/l
温度 46-480C
比重 1.205-1.215
PH 8.2-8.6
6. 分析问题与改善对策
问题可能原因对策
蚀铜不足(underetching) 1速度太快2.pH太低3.比重太高4.温度太低5.喷压不足 1.速度、厚度、药液关系2.加热器损坏或沉淀太多
板子在蚀铜机内行径不直不正 1.喷管喷压集中单边2.装机未在水平状态3.输送杆变形4.上下喷压不均匀5.输送齿轮破损使输送杆停用 1.下压太大时轻的板子会举起2.检查水平
蚀铜机结晶太多 1.pH低于8以下 1.子液用完或管路堵塞；控制器故障或不准；抽风太强
阻剂剥落 1. pH太高 1.了解干膜或UV的抗碱度
问题可能原因对策
速度降低比重高和铜含量过高温度过低和加热器损坏比重和铜含量过低氯离子过低压力太低氧气不够 1.调整压力2.添加子液至比重1.20~1.22之间3.添加NH4Cl4.增加温度5.增加打气6.添加废液；可能冷却管漏水，修理
蚀刻不均匀 a)上下两面不均匀喷嘴阻塞喷管管位或方向不对滚轮重迭喷管流量不正确喷管破裂液面太低，Pump空转b)同板面上局部不均匀底片的不良导致干膜制程发生膜渣显影去膜未彻底（scum）镀铜厚度不均压膜前板面清洁不够去膜液碱性太强，回锡电镀渗锡 1.检查喷管（嘴）2.调整位置与角度调整3.调整每只喷管喷压4.常发生摆动接头处5.补充蚀液6.修补底片上微孔
沉淀氯－铜比值不对pH低或漏水，带入水太多比重过高 1.调整氯铜比2.减低抽风，修理3.添加子液
问题可能原因对策
侧蚀大，蚀铜过度氯离子过高喷管或喷嘴角度不对阻剂破损或浮起比重太低pH高速度太慢压力过大 1.降低压力2.增加铜浓度3.速度，厚度，药液关系4.增加铜含量和抽风5.加水或铵水
结论
本次毕业设计主要分析的是印制电路板中内层蚀刻的流程、内层酸性蚀刻的原理、影响酸性蚀刻速率之因素及蚀刻因子对酸性蚀刻速率的影响这四个方面，通过这四个方面简单的介绍了内层蚀刻工艺在印制电路板板中的重要性，以及在生产过程中可能出现的问题与问题的改善对策。通过这次毕业设计，我完成了对内层蚀刻时出现的蚀铜不足、板子在蚀铜机内行径不直不正、蚀铜机结晶太多、阻剂剥落、蚀刻速度降低、蚀刻不均匀、沉淀、侧蚀大蚀铜过度，这八种问题的研究分析，完成了对造成这八种问题所产生的“可能原因”和“解决对策”的表格建立,提高了蚀刻效率。
参考文献
[1]陈森，金鸿. 印制电路技术[M].北京：化学工业出版社，2004.
[2]白蓉生.印制电路资讯[M].深圳：深圳市电子行业协会PCB专委会，2005.
[3]李乙翘.印制电路[M].北京：化学工业出版社，2007.
[4]沈锡宽，唐济才.印制电路技术[M].北京：科学出版社,1985.
[5]林朋祥.集成电路制造工艺[M].北京：机械工业出版社，2005.
[6]黎小桃，刘祖明.实例解析Protel 99 SE 电路原理图与PCB设计，北京：机
械工业出版社，2011.6.
[7]王卫平.电子产制造技术.北京：清华大学出版社，2005.
[8]钱苗根,姚寿山，张绍宗.现代表面技术.北京：机械工业出版社，2008.
[9]林朋祥.集成电路制造工艺[M].北京：机械工业出版社，2005.
[10]张志祥.氯酸钠/盐酸型蚀刻铜再生剂之论述.深圳：艾克化工开发部，2002.
指 标
剽窃文字表述
1. 单面板的蚀刻，多层板的内层蚀刻或者Tenting流程的外层蚀刻上，因这些制程都用干膜或者液态感光油墨作为蚀刻阻剂，而
2. 一般情况下PH值要控制在8.2～8.6之间，当PH值低于8.2以下时，则氯的含量会慢慢增加。而当氯的含量增加时，则相对会提高对锡铅镀层的攻击次数。
3. 蚀刻的补充液(子液)通常其PH值大约在9.7±0.2的范围之间，因为槽液在作业抽风下生产时，其工作负载及其它影响因素会降低操作范围，并维持在8.2～8.6之间。
4. * 补充系统添加如果过多或过少的补充液时，则铜含量及pH值造成的变化幅度会相当大。
5. 药液,从而使药液在表面上积存而不易被排走，让后来喷洒的新液无法直接打在待蚀铜的表面上
6. 喷嘴在上喷和下喷时的压力调整以补偿.以实际的作业结果调整差异。 (4).垂直蚀刻方式,下载本文
