蝕刻因子、蝕刻函數
蝕銅除了要作正面向下的溶蝕外，蝕液也會攻擊線路兩側無保護的銅，稱之為側蝕(Undercut)，因而造成如香菇般的蝕刻品質問題,Etch Factor即為蝕刻品質的一種指標。Etch Factor一詞在美國(以IPC為主)的說法與歐洲的解釋恰好相反。美國人的說法是”正蝕深度與側蝕凹鍍之比值”，故知就美國說法是”蝕刻因子”越大品質越好；歐洲則恰好相反，其因子卻是愈小愈好，很容易弄錯。下圖為阻劑後直接蝕銅結果的明確比較圖。不過多年以來,IPC在電路板學術活動及出版物上的成就。早已在全世界業界穩占首要地位，故其闡述之定義堪稱已成標準本，無人能所取代。
氯 化 銅 蝕 刻 之 監 控
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前言:
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近年來印刷電路板製程﹐在內層板或單面板的直接蝕刻上﹐使用氯化銅藥液者﹐愈來愈多。但也因缺乏活用氯化銅的基本知識﹐而拒此法於千里之外者﹐亦常有之。以下簡單整理有關綠化銅蝕刻的反應及其控制管理的情形﹐以供業界參考。 蝕刻之計算
˙蝕銅反應(理論值):
Cu(銅) + CuCl 2(氯化銅)→ 2CuCl(氯化亞銅) (1)
二價銅 一價銅
˙再生反應:
2CuCl + 2HcL + H 2O 2→ 2CuCl + 2H 2O (2)
˙由上述二式中氯化銅的再生循環﹐以說明再生及添加用量如下:
銅厚35μm(1 oz)之單面基板上﹐其平均銅重量約312.2g/m 2﹐若假設蝕銅率為60%左右時﹐由(1)式中可得到所生成方程式上…兩各單位‟的氯化亞銅﹐其重量應為:
(312.2g/m 2 x 0.6 ÷63.5) x 2 x 98.9 = 583 g
再由(1)式中知其CuCl 2應有的重量為:
[(583 ÷2) + (583 ÷2 – 312 x 0.6)] = 396g
由(2)式中可知﹐進行再生反應一必頇使用之藥液量為:
鹽酸 - - [583 ÷(2 x 98.9)] x 2 x 36.5 = 215g
雙氧水 - - [583÷(2 x 98.9)] x 1 x 34 = 100g
质量管理措施
水 - - [583 ÷(2 x 98.9)] x 2 x 18.2 = 106g坐观成败
CuCl 2 - - [583 ÷(2 x 98.9)] x 2 x 134 = 792g
另純鹽酸215g 換算成35%濃度的商品鹽酸時約為521cc 。
純雙氧水100 g 換算成35%濃度的商品雙氧水時約為253 cc 。
但是﹐由(1)式蝕銅後所產生CuCl 中的銅為一價銅﹐是一種水溶性不佳的物質﹐附在銅面上時﹐會造成蝕銅能力之劣化﹐因而使得蝕銅速度減慢。而一般在蝕刻槽內的化學反應多為連續性﹐且相當複雜﹐線從實際的反應型態上試做討論如下。
金屬銅
←CuCl ﹐ ↓ 2CuCl ↓ ←2HCl
↓
Cu 2Cl 4 ↓ ←H 2O 2 ↓
2+H 2O顶字笔顺
上述各反應將在蝕刻槽內持續的進行﹐而各種副反應亦會同時產生。在(4) H2Cu2Cl4反應中﹐當雙氧水適量時﹐將與鹽酸反應而產生氯氣(Cl2)﹐造成鹽酸濃度的降低。不但如此﹐也還會另外引起蝕銅機的損傷﹐板子上耐酸油墨的溶解﹐以及蝕銅效率的降低等煩惱。更有甚者﹐還會導致銅箔接著材料的
溶解﹐或已溶解油墨在槽液中的再聚結成塊體﹐進而阻塞噴嘴或幫浦的濾網等許多麻煩。
從上述討論可以明白知道﹐一價銅有68%(396/583)會氧化成為二價銅﹐如何使剩餘的一價銅全數排出才是最為重要的事。但當溶液無法做到此一點時﹐則如何適量添加鹽酸和雙氧水使其變為有用的二價銅﹐則又是另一件重要的事。但是原先業界所用之各種再生係統﹐例如ORP、光量計、PH計等檢測CuCl和CuCl2的比率的方式﹐因受相互濃度的影響﹐致無法得到最適當數據﹐常使得此一蝕刻的控制工作不盡完美﹐而有待改進。
日本AQUA 株式會社﹐已新開發出一種AQUA CONTROLLER AFC-601再生系統﹐對溶液中各成份之濃度﹐可分別做各自的獨立分析﹐個別添加以及再生﹐將能克服理論的困難和改進機能的效用﹐而能達到降低成本及加強管理的目標﹐使此種直接蝕刻更具細線化、自動化、及高速化的效果。
槽液的管理
其原理是利用改良型極化計﹐以定電位之電解法測定。從蝕刻液0.58M以上到飽和為此止﹐保持一定的電解電位的定電位法。槽液的取樣及分析的進行﹐是將槽液以分流管方式﹐使流過取樣槽。機組的設計﹐是在此取樣槽中分別裝設有五支精密的檢測器﹐以測取下列數據﹐並將下達排放或補充的指令﹐以維持槽液正常的操作。
1.比重測定- - 是利用一個敏感的微動浮球(約沉浸在液面下10mm)﹐以牽動及傳達
自黑是什么意思微小的比重變化而測定之。
2.鹽酸含量- - 是利用磁場與鹽酸比重之間成比例的原理﹐所設計的感察器。可測
槽液中鹽酸的濃度﹐無電子雜訊的干擾﹐也不受灟度遺浮渣影響。什么是dsp
3.雙氧水- - 利用一面進行電解﹐一面測比重之方式﹐測出液中氧化劑及還原劑的
含量。
4.溫度- - 利用熱電感應式(Thermistor)，測出液溫。
5.蝕刻速度- - 在取樣槽中加掛一支銅棒﹐由其溶蝕消耗的快慢來測出槽液之蝕速。特點
˙槽液不必稀釋﹐可直接測定。
˙各感察器皆能立即顯示數據且極耐用。
产后瑜伽˙藥液個別檢測及添加﹐節省藥液用量。
˙省力自動化﹐蝕刻高速化。
˙降低蝕刻不良率﹐減少報廢。
˙蝕刻變數固定﹐提高品質。
˙安裝簡易﹐故障少﹐維修簡單。
蝕刻速率及均勻性之監控
一、前言
…蝕刻‟為影響電路板良品率的主要因素之一﹐要達到良好蝕刻的製程管制﹐必頇要對此製程的個種情況徹底了解﹐尤其在線寬愈來愈細的趨勢下﹐對蝕刻工程的認知也變得更為重要﹐也才能達到日益困難之阻抗控制的需求。
●蝕刻速率( Etch rate )
●蝕刻均勻性(Uniformity)
為了達到這兩種品質的需求﹐必頇要做好蝕刻液的分析及管理、溫度、噴壓﹐及輸送速度控制等參數的監控。這些都是初步起碼的條件﹐但並不表示說能做好這種初步的條件﹐就能得到良好的蝕刻﹐還
要進一步注意蝕刻機的設計、安裝、及機械控制部份的調整。這些深一層因素的差異﹐並不容易直接量測得到或比較得出來﹐但卻對蝕刻的速率以及均勻性有很大的影響。
本文也建議用一種蝕前蝕後線寬(Line width)的比較辦法﹐以對蝕刻工程的品質做較客觀的了解。但這卻是極端耗費時間及人力﹐且不易獲得正確的資料﹐需要昂貴而精密的設備﹐這種設備又怕潮濕的環境﹐故仔細研究並不容易。以內層板為試樣﹐用氯化銅當成蝕刻液﹐在裝有整套良好控制器的蝕刻機上進行現場的研究。
所用的內層板量測線寬的銅皮厚度有0.5 oz 及1.0 oz等兩種。至於均勻性所採用的樣品，是2oz全片內層板直接進行蝕刻﹐表面不加任何阻劑﹐當其走入蝕刻機時故意將速度調快﹐令板面上的銅皮未能完全蝕光。其所剩下來的殘銅厚度﹐就可以當成均勻性的測量之試樣﹐也就是可用渦電流(Eddy Current)的方法﹐分別測出板子兩面各定點處﹐於蝕刻前後在厚度的變化﹐再與所測得的實際線寬進行對照﹐以找出最佳的蝕刻速率。
二、量測的方法
首先是量測FR-4雙面2oz銅皮蝕刻過的板子。其做法先將銅面澈底進行清潔﹐以除去妨礙蝕刻效果的原有鉻化處理(Chromate)的防鏽層、氧化物﹐以及其他的外物污物等﹐然後再進行徹底的清洗﹐即可進行蝕刻。用以量測銅厚的儀器是採用UPA公司的Dermitron D-3000﹐當然其他品牌的渦電流(Eddy C
urrent)量測儀器﹐如CMI-International的EM-2000 也非常新穎好用(台灣總代理為電測企業有限公司)。但其FR-4的基材部份要有足夠的厚度才行﹐以免過電流穿透板材而到達對面的銅皮﹐造成干擾而出現誤差﹐圖2即為1.5oz及0.5oz的兩種校正的銅厚數據﹐所用的儀器為D-3000。其校正方法是在裸基板(40 mil)表面上加上一張已知厚度的銅皮﹐進行對儀器的校正﹐為了數據更正確起見﹐在進行對均勻性量測時﹐基材的厚度定在0.062吋﹐也就是60mil的基材再加上厚度的2oz 的銅皮﹐其做法為:
●將2oz銅皮﹐62mil FR-4基材的板子裁成18吋x 24吋大小﹐在蝕刻前用D-3000分別25處定點上測出銅厚。
●為防止渦電流測頭(Probe)在測量時不致受到附近銅面的干擾起見﹐特將銅面全部用軟膠膜蓋住﹐只在特定待測的位置上留出一個1吋大的空洞使銅面露出﹐這種測點共有25處﹐均勻的分佈在板子兩面的全部表面上。
●將D-3000校正在0~4mil的範圍中﹐量完正面的25處後﹐翻轉後再量另一面25處。
●將兩面蝕刻前原始銅厚量完後﹐即按應蝕去0.5oz及1oz的“經驗速度”進行蝕銅﹐並注意板子走動的方向﹐各試驗板頇方向一致。
●蝕刻及洗淨乾燥後﹐再用前述的塑膠護膜蓋在已蝕去部份銅厚的板面上﹐分別測取25處蝕後的厚度﹐但此時要重新校正待測厚度在0~2mil之間﹐以防受到背面銅皮的影響。
●將各點前後兩次數據相減即可得到被蝕去的厚度﹐再進一步求出各數據的平均值﹐
即可得到該板全面“蝕銅厚度”的平均值。
●因水平噴灑蝕銅的上下兩面蝕速並不相同﹐故可分別求出上下兩面的“變異係
數”(CV, Coefficient of Variation)，其計算如下﹐也可用以表示蝕刻的均勻性(Uniformity) CV = 標準差x 100Mean 是平均蝕銅量而用標準差百分數表示法﹐也就是說當變異係數CV愈低時﹐表示蝕銅情形愈均勻。
三、蝕刻不均的原因
上述方法可用於有阻劑圖形加附的線路銅面﹐及2 oz整面裸露的銅面二者之比較用。首先用1oz銅皮的基板兩面各印上6mil線寬及間距的細密梳形電路﹐再進行蝕刻即得到各種不同的線寬變化﹐以此線寬變化對上述以2oz全面蝕銅所得的“結果厚度”結果做圖﹐圖4.即表示由2oz銅皮蝕去的厚度與梳形電路線寬變化二者之對應情形﹐圖中從座標上端的正值表示蝕銅尚未完全除盡(Underetching蝕銅不足)﹐負值表示過度蝕銅。由數據的描點分佈﹐以可看出“蝕去厚度”與“線寬變化”二者之間的關聯性非常大。當蝕銅深度較深時﹐
