技术 | PCB DES技术介绍-pcb的介绍

前言

“减成法” （Tenting & Etching）即保留需要的而去除不需要的加工方法;而与之对应“加成法” （additive process）即将为将需要的部分添加上去的加工方法。目前业界(包括PCB与FPC)绝大多数的生产仍以传统的“减成法”为生产方式 。在“减成”的制程中，DES作为线路形成(“减成”)的关键制程，一直是制程中的瓶颈。DES的制程能力直接决定了全制程的制程能力。因此， 改善和提升DES的制程能力，亦是改善和提升全制程制程能力的前提。

1. 流程介绍

显影：

显影前段→显影后段→水洗1→水洗2→吸干→冷风吹干→热风烘干

显影前段：未感光干膜在此产生溶涨显影后段：未感光干膜在此被显影液溶解带走二次水洗：防止显影液及干膜污染板面吸干：主要吸干板面水分和孔内部水分冷风吹干：主要吹脱板面水分和孔内部分水分热风烘干：烘干板面水分和孔内水分

蚀刻：

蚀刻→水洗

蚀刻：形成线路水洗：防止蚀刻液残留板面造成污染

剥膜：

剥膜→水洗→酸洗→水洗→冷风烘干→热风烘干

剥膜:剥去板面干膜。水洗:防止上流程药液残留板面造成污染。酸洗:中和剥膜碱液。显影流程示意图：DES流程示意图

2. 制程原理

显影

在前面干膜制程的介绍里我们已经了解干膜系由一种负型自由基式的聚合物组成。

未经过曝光光线照射并发生聚合反应之干膜之主要成分:Resist-COOH与显影液的主要成分CO32－发生如下的反应:

Resist-COOH + CO32－　→　 HCO3－ + Resist-COO-

本反应实际为一种皂化作用，故于程中会产生类似肥皂状的泡沫，未聚合之干膜中负型自由基式的聚合物溶入溶液

H2O + CO32- → HCO3- + OH –

反应的平衡式为:

K = [HCO3- ][OH-] / [CO32- ]

PH = 14 + log｛K．[CO32- ]/ [HCO3- ]｝

为掌握显影之质量，制程中需严格控制[CO32-]/[HCO3-]的浓度比值(PH值控制)，以得最佳之线路显影效果，亦即可以通过控制PH值进而控制显影之效果。

生产中所需的CO32-通常由Na2CO3来提供， 并通过更换槽液来维持显影液中的[CO32-]/[HCO3-]浓度比值——这也是我们生产中保持每生产固定量产品需换槽的原因。

当然，随着工艺的更新， 以的K2CO3代替 Na2CO3用于显影也逐步为行业所接受。 K2CO3显影相对于 Na2CO3有着许多优点， 在显影质量上和操作上均较Na2CO3容易控制， 以K2CO3显影容易完成显影液的自动添加。但是在生产成本上K2CO3显影高于Na2CO3显影。

K2CO3与 Na2CO3比较如下：

蚀刻

蚀刻的原理是：利用氧化-还原反应(主要酸性蚀刻)或者是络合反应(主要碱性蚀刻)消耗无抗蚀刻层(Resist)之板面铜层，剩下所需线路铜层。反应的方程式如下:

酸性蚀刻:

Cu°+Cu2+ → 2 Cu+

碱性蚀刻

不推荐使用

在碱性环境溶液中，铜离子非常容易形成氢氧化铜之沉淀，需加入足够的氨水使产生氨铜的错离子团，则可抑制其沉淀的发生，同时使原有多量的铜及继续溶解的铜在液中形成非常安定的错氨铜离子，此种二价的氨铜错离子又可当成氧化剂使零价的金属铜被氧化而溶解，不过氧化还原反应过程中会有一价亚铜离子)出现；

碱性蚀刻反应之中间态亚铜离子之溶解度很差，必须辅助以氨水、氨离子及空气中大量的氧使其继续氧化成为可溶的二价铜离子，而又再成为蚀铜的氧化剂周而复始的继续蚀铜直到铜量太多而减慢为止。故一般蚀刻机之抽风除了排除氨臭外更可供给新鲜的空气以加速蚀铜。

因为碱性蚀刻主要用于以电镀层(PLATED RESIST)为抗蚀刻层的PCB外层线路的生产，在这里不做过多描述。

CuCl2酸性蚀刻反应过程之分析

铜可以三种氧化状态存在，原子形成Cu°，蓝色离子的Cu2+以及较不常见的亚铜离子Cu+。金属铜可在铜溶液中被氧化而溶解，见下面反应式

Cu°+ Cu2+ → 2 Cu+

在酸性蚀刻的再生系统，就是将Cu +氧化成Cu2+，因此使蚀刻液能将更多的金属铜咬蚀掉。

直觉的联想，在氯化铜酸性蚀刻液中， Cu2+及Cu+应是以CuCl2 及CuCl存 在才对，即离子方程式(1)可知:

Cu(铜箔) + CuCl2（二价铜） → 2CuCl(一价铜)

但事实非完全正确，两者事实上是以和HCl形成的一庞大错化物存在的:

Cu° + H2CuCl4 + 2HCl → 2H2CuCl3 金属铜　 铜离子　 亚铜离子

其中：

H2CuCl4实际是CuCl2+2HCl

2H2CuCl3实际是CuCl (不溶)+ 2HCl

在反应式中可知HCl是消耗品。式中因产生CuCl沉淀，会阻止蚀刻反应继续发生，但因CL2的存在溶解 CuCl，维持了蚀刻反应的循环进行。由此可看出HCl是氯化铜蚀刻中的消耗品，而且是蚀刻速度控制的重要化学品。虽然增加HCl的浓度往往可加快蚀刻速度，但亦可能发生下述的缺点。

侧蚀 (undercut ) 增大，或者etching factor降低。 若补充药液是使用氯化钠或HCL过量，则有可能产生氯气，对人体有害。

CL2 是怎么产生的???

氯酸钠再生反应式:

NaClO3 + 6HCl → NaCl + 3Cl2 + 3H2O

Cl2 + 2CuCl → 2CuCl2

干膜曝光时的聚合是Resist-基团内的链状(短链)断开并在基团间链接形成高分子化合物的反应。此反应的生成物(即感光后干膜)是含-COOH的高聚物，该高聚物结构相对比较稳定，不溶于弱碱[CO32-]，但受-COOH基团的作用，仍呈弱酸性，可溶解于强碱(NaOH)。

根据干膜的这一特性，在蚀刻后可以使用强碱NaOH剥除残余干膜，即剥膜(stripping) 。

3. 质量控制

显影

根据显影制程的原理，通过控制显影液中的[CO32-]/[HCO3-]浓度比值保障显影质量。

显影喷淋压力的控制可以避免出现显影侧蚀。

上图是对显影侧蚀的图例，与蚀刻类似，当出现“水池效应”时显影出现显影侧蚀。造成显影不洁或膜渣。

以最快速度的让欲显影的干膜表面接触愈多新鲜的显影液是保障显影质量的方法。因为作用之显影液溶解干膜浓度增高降低了溶解速度，须迅速补充新液以维持速度，否则会出现水池效应造成侧蚀的速度成倍增长并导致侧蚀。

因此，显影时要保证显影液的喷淋压力。

显像点Break point ( 从设备透明外罩看到已经完全显现出图样的该点的距 离称之 )应落于50~70%间，不及，铜面有scun残留，太过，则线边有膜屑或 undercut(与C/D值有关)过大。

最好有自动添加系统(auto-dosing)。 另外喷洒系统设计良否也会影响显像点。显像良好的侧壁应为直壁式者，显像不足时容易发生膜渣(Scum) 造成蚀刻板的短路、铜碎、及锯齿突出之线边，显像机喷液系统之过滤不良时也会 造成此种缺点。检查Scum的方法可用５％之氯化铜溶液(Cupric Chloride CuCl 2) 或氯化铵溶液浸泡， 若铜面上仍有鲜亮的铜色时，即可判断有 Scum残留。

蚀刻

两种 Etchant 对大部份的金属都是具腐蚀性，所以蚀刻槽通常都用塑料，如 PVC (Poly Vinyl chloride)或PP (Poly Propylene)。唯一可使用之金属是 钛 (Ti)。为了得到很好的蚀刻质量－最笔直的线路侧壁(衡量标准为蚀刻因子 etching factor其定义见图)

不同的理论有不同的观点，且可能相冲突。 但有一点却是不变的基本观念，那就是以最快速度的让欲蚀刻铜表面接触愈多 新鲜的蚀刻液。因为作用之蚀刻液Cu+浓度增高降低了蚀刻速度，须迅速补充 新液以维持速度。

同样，这也是蚀刻必须保证压力的原因。

同样， 生产中的质量控制主要是通过调整蚀刻时间——即调整蚀刻速度制作初件来寻找达到最佳蚀刻效果的蚀刻条件。

根据各料号所用干膜不同，且不同的时刻人、机、物 、法 、环的差异，蚀刻的质量会有一定的变化，在批良生产前，必须做初件进行确认，以保证蚀刻的质量。

自动监控添加系统的使用，使蚀刻液各成分浓度维持在系统要求范围内，以保证蚀刻质量。 目前使用CuCl2酸性蚀铜水平设备者，大半都装置Auto dosing设备，以维持蚀铜速率，控制因子有五:

比重 HCl H2O2 温度 蚀刻速度

剥膜

剥膜注意事项

硬化后之干膜在此溶液下部份溶解，部份剥成片状，为维持药液的效果及后水洗能彻底，过滤系统的效能非常重要。 有些设备设计了轻刷或超音波搅拌来确保膜的彻底，尤其是在外层蚀刻后的剥膜， 线路边被二次铜微微卡住的干膜必须被彻底剥下，以免影响线路质量。也有在溶液中加入BCS帮助溶解，但有违环保，且对人体有害。 有文献指K(钾)会攻击锡，因此外层线路蚀刻前之剥膜液之选择须谨 慎评估。剥膜液为碱性，因此水洗的彻底与否，非常重要，内层之剥膜 后有加酸洗中和，也有防铜面氧化而做氧化处理者。

4. 异常及对策

5. 结语

高密度细线路之无DES技桁

相对于“减成法”来说，“加成法”的方法在业界使用尚少，介绍给大家以提供一种制程的思路。

电路板的密度以往主要受限于钻孔的尺寸，因此似乎线路密度成长的迫切性也就没有那么高。细线路由于钻孔技术的进步及MCM-L技术的需求，近来备受重视。而运用传统的Tenting & Etching( “减成法”)技术，想作到小于1OOμm的线路走十分困难的。Additive process (“加成法”)能降低甚至避免蚀刻的问题，只是必须使用特定的物料与流程，因此在电子封装领域较少被运用。

Additive Process其铜线路是用电镀光阻定义出线路区，以电镀方式填入铜来 达形成线路。此类制程分为Semi Additive与Fully Additive两类，Semi Additive 利用压合薄铜于各类树脂上，再以电镀及蚀刻达到形成线路的目的。Fully Additive则是利用树脂表面粗化，其后涂布加强黏合层以改善无电铜与板面连 结强度，之后以无电解铜长出线路。(问题点:制程复杂，设备成本高，在部分COF上应用)

典型的线形式Subtractive/Semi Additive/Fully Additive示意如下图 :

2. 无电解铜在Additive制程方面是极为重要的尤其是高质量高选择性的无电解铜，是高密度高信赖度板使用该制程的必要条件。然而一般无电解铜析出速率约为2~2。5μm/Hr其析镀时间相对可缩短为2~4分之一。

目前问题点: 对无电解铜而言，抗镀光阻(镀孔铜的 shelter-mask干膜 )的剥离是最严苛的问题，由于光阻会操作在70℃的 碱性化学铜液中，接口间的应力及光阻膨松是被认为剥离的主要动力。化学铜反 应产生的氢气，原有的薄氧化铜表层因还原反应而失去键结力，都是剥离的可能原因。

改善方法:

较有效的防止剥离方式可以考虑对表面施以不同的金属处理。底铜的化学电位相 对于氢为-600mV，氧化铜相对于氢的还原位为-355mV，由于还原电位高于电化反 应因此还原反应极易产生剥离。若要保持良好的键结力就必须找一个更低电位的 金属覆于其上以防止反应。Zn/Sn/Ni都是有机会的金属，以锌而言经实验证明 适当的覆盖厚度可得到承受浸泡化学铜40Hr仍不会剥离的结合效果，其经验厚 度约为0。5±0。1mg/cm2，金也是可选择加强结合力的金属。 传统的光阻(D/F)是以溶剂型为主，但因环保问题而使业界对配方有所调整，加入亲水 性物质，光阻可使用水溶液显影。但一般水溶性光阻由于是碱性显影系统，用 化学铜抗电镀将因亲水分子过多而产生膨松问题。因此有新系统发展出来，亲水 分子调整至最佳状况后以低碱性盐及高挥发点溶剂组合成显影液，显影液之最大 成份仍为水，如此不会有燃烧的危险。而此光阻剂可承受约40小时化学铜浸泡 不致有问题，只是光阻难免有溶出物会影响镀液析出速度及镀出质量，因此其配 方是必须考虑以减少影响为目标。一般负型光阻其本身会吸收光源能量，因此改 善光阻透光性以获得良好笔直的壁面，是光阻改善的方向。有部份光阻已可作到 光阻厚度76μm厚度以下，30μm线宽间距的分辨率。

其它问题

电镀过程中如何防止杂质颗粒的产生，对细线路而言将是一大课题。对Semi additive制程而言，电镀若先使用高温镀铜(化学或电镀)，再以较冷的镀锡槽 镀保护层，由于光阻会因热胀冷缩而在铜线路与光阻顶端产生约1μm的空隙， 因此镀锡时线边缘也会大部份被锡镀上，因此可加强保护效果获得更好的线路。

3. 薄膜技术也可用于细线制程，一薄层Cr-Cu底层金属以溅镀镀于底材上， 以22 μm厚的光阻作业，(类似:直接电镀形成线路)

以Semi additive制程化学铜浸约4Hr，去除光阻后由于底 层薄膜很薄，因此用Ion milling即可，不必作锡保护。

Fully additive是另一种方式，其作业是以UV型干膜式增黏剂(Adhesive)压覆 于树脂面，UV聚合后钻孔粗化再以活化剂(触媒)覆于表面，其后以光阻定义出 备镀区，为使光阻能抗碱可用UV光将光阻固化，再以化铜填入备镀区，其后光 阻本身也保留成板面的一部份。触媒一般多用锡钯胶体，若附以适当厚度既可启 始化铜反应同时能保有一定绝缘电阻。