現(xiàn)代印制電路原理與工藝 第8章 蝕刻技術

1、LOGO第第8章章 蝕刻技術蝕刻技術印制電路原理和工藝印制電路原理和工藝蝕刻技術蝕刻技術 Add Your Text概述概述 三氯化鐵蝕刻三氯化鐵蝕刻過硫酸鹽蝕刻過硫酸鹽蝕刻 鉻酸鉻酸/硫酸蝕刻硫酸蝕刻 蝕刻技術蝕刻技術 蝕刻技術蝕刻技術氯化銅蝕刻氯化銅蝕刻 過氧化氫過氧化氫/硫酸硫酸蝕刻工藝蝕刻工藝 側蝕與鍍層突沿側蝕與鍍層突沿 側蝕設備側蝕設備 8.1 概述概述 v當印制電路板在完成圖形轉移之后，要用化學腐當印制電路板在完成圖形轉移之后，要用化學腐蝕的方法，去除無用的金屬箔（層）部分，以獲蝕的方法，去除無用的金屬箔（層）部分，以獲得所需要的電路圖形。這一工藝過程稱為得所需要的電路圖形。這一

2、工藝過程稱為“蝕刻蝕刻工藝工藝”，簡稱，簡稱“蝕刻蝕刻”。v最早是使用最早是使用三氯化鐵三氯化鐵的水溶液為蝕刻液。由于存的水溶液為蝕刻液。由于存在著溶液處理及污染等固有的缺點，而逐漸被淘在著溶液處理及污染等固有的缺點，而逐漸被淘汰代之以汰代之以氯化銅氯化銅、過硫酸鹽過硫酸鹽、過氧化氫過氧化氫硫酸硫酸、氨堿氨堿以及其它刻蝕液。以及其它刻蝕液。低溶度低溶度最佳濃度范規(guī)最佳濃度范規(guī)高濃度高濃度重量百分比重量百分比2828343438384242濃度濃度（克（克/ /升）升）36536545.245.2530530608608（摩爾（摩爾/ /升）升）2.252.252.72.73.273.273.7

3、53.75比重（克比重（克/ /毫升）毫升）1.2751.2751.3531.3531.4021.4021.4501.450波美度（波美度（。BeBe）31.531.5383842424545表表 8-1三氯化鐵蝕刻劑的組成（三氯化鐵蝕刻劑的組成（20）v8.2.28.2.2蝕刻機理蝕刻機理 1) 1) FeClFeCl3 3CuFeClCuFeCl2 2+CuCl+CuCl 2) 2) FeClFeCl3 3CuClFeClCuClFeCl2 2CuClCuCl2 2 3) 3) CuClCuCl2 2Cu2CuClCu2CuC圖8-1 Fe3+的消耗量消耗量與Fe3+及Cu2+溶銅量的關系

4、 v8.2.38.2.3蝕刻工藝因素蝕刻工藝因素 1 1. .蝕刻劑的濃度蝕刻劑的濃度 2 2. .溫度溫度 3 3. .酸度酸度 4 4. .攪拌和過濾攪拌和過濾 圖8-3 不同蝕刻液溶銅量與蝕刻速率的關系v8.2.4 8.2.4 蝕刻工藝蝕刻工藝 用三氯化鐵為蝕刻劑的蝕刻工藝流程如下：用三氯化鐵為蝕刻劑的蝕刻工藝流程如下： 預蝕刻檢查預蝕刻檢查蝕刻蝕刻水洗水洗浸酸處理浸酸處理水洗水洗干干燥燥去除蝕層去除蝕層熱水洗熱水洗水沖洗水沖洗（刷洗）（刷洗）干干燥燥檢驗檢驗v8.3.18.3.1酸性氯化銅蝕刻劑酸性氯化銅蝕刻劑 這種蝕刻劑以這種蝕刻劑以氯化銅（氯化銅（CuClCuCl2 22H2H2

5、2O O）為基礎，加為基礎，加入入鹽酸鹽酸及其它及其它可溶性氯化物可溶性氯化物配制，它適用于絲網配制，它適用于絲網漏印印料、干膜、金和錫漏印印料、干膜、金和錫鎳合金為抗蝕層的印鎳合金為抗蝕層的印制板的生產。制板的生產。8.3 氯化銅蝕刻氯化銅蝕刻1234氯化銅（CuCl22H2O）170 g0.58mol0.58mol0.130.66mol鹽酸（HCl）0.6 l8mol0.13mol0.050.15mol氯化鈉（NaCl）1.06mol0.8mol氯化銨（NH4Cl）0.130.63mol表8-2 酸性氯化銅蝕刻劑組成（國外配方）1234氯化銅（CuCl22H2O）(g/l)35050010

6、0170500200鹽酸（ml/l）8.0100100氯化鈉（NaCl）(g/l)46200氯化銨（NH4Cl）飽和表 8-3 酸性氯化銅蝕刻劑的組成（國內配方）v2.2.蝕刻機理蝕刻機理v這種蝕刻劑是以而價銅離子與銅箔的銅進行氧化。這種蝕刻劑是以而價銅離子與銅箔的銅進行氧化。 CuCuCuClCuCl2 2 2CuCl 2CuClv但但CuClCuCl是微（溶解度微是微（溶解度微0.0060.006）溶于水化合物。它）溶于水化合物。它可溶于鹽酸和氨中，當有足夠數(shù)量的氯離子存在可溶于鹽酸和氨中，當有足夠數(shù)量的氯離子存在時，氯化銅首先形成銅氯絡離子：時，氯化銅首先形成銅氯絡離子： CuClCuC

7、l2 22Cl2Cl CuClCuCl4 4 2-2-v3.3.蝕刻工藝因素蝕刻工藝因素v 1 1） 氯離子濃度氯離子濃度v 2 2） 銅離子（銅離子（CuCu2+2+）濃度）濃度v 3 3） 溫度溫度圖8-5 氯化物種類和濃度與相對蝕刻速度的影響曲線：1.CuCl2水溶液 2.CuCl2+2MNaCl溶液 3.CuCl2+飽和NaCl溶液 4.CuCl2+6MHCl溶液v4.4.蝕刻設備蝕刻設備根據(jù)根據(jù)生產規(guī)模生產規(guī)模有四種蝕刻設備可供選擇，即有四種蝕刻設備可供選擇，即 浸漬蝕刻機浸漬蝕刻機 鼓泡蝕刻機鼓泡蝕刻機 濺潑蝕刻機濺潑蝕刻機 噴淋蝕刻機噴淋蝕刻機圖8-7 自動蝕刻機v5. 蝕刻中存

8、在的問題分析蝕刻中存在的問題分析v（1 1）蝕刻速度慢）蝕刻速度慢 v（2 2）在印制板及溶液中有沉淀出現(xiàn)）在印制板及溶液中有沉淀出現(xiàn)v（3 3）抗蝕后層開裂）抗蝕后層開裂v（4 4）印制板板面有黃色殘余物）印制板板面有黃色殘余物v1. 1. 堿性氯化銅堿性氯化銅蝕刻劑的組成蝕刻劑的組成 這種蝕刻劑以這種蝕刻劑以二價銅離子二價銅離子和和氨氨為主要成分為主要成分配方12氯化銅（CuCl22H2O）(g)240250100氯化銨（NH4Cl）(g)100100氨水（NH3H2O）670700670去離子水加至1000ml加至v2. 2. 蝕刻機理蝕刻機理v這種蝕刻液是通過二價銅離子的氧化作用和氨的

9、這種蝕刻液是通過二價銅離子的氧化作用和氨的絡合作用同時對銅箔進行腐蝕和溶解，達到蝕刻絡合作用同時對銅箔進行腐蝕和溶解，達到蝕刻的目的。的目的。 CuClCuCl2 24NH4NH3 3Cu(NHCu(NH3 3) )4 42+2+2Cl+2Cl- - Cu(NH Cu(NH4 4) )4 42+2+Cu2Cu(NH+Cu2Cu(NH3 3) )2 2 v同時，當溶液中存在氧時，一價銅氨絡離子又被同時，當溶液中存在氧時，一價銅氨絡離子又被氧化為二價銅氨絡離子：氧化為二價銅氨絡離子： 4Cu(NH4Cu(NH3 3) )2+2+8NH+8NH3 3+0+02 2+2H+2H2 2O4Cu(NHO4

10、Cu(NH3 3) )4 42-2-+4OH+4OH- -+Cl+Cl- -v因此，為使溶液反應能連續(xù)不斷地工作，則必須因此，為使溶液反應能連續(xù)不斷地工作，則必須使溶液中始終有過量的使溶液中始終有過量的NH3NH3和充分的和充分的O2 O2 存在。存在。 蝕刻工藝因素 二價銅的離子含量過低、則蝕刻速二價銅的離子含量過低、則蝕刻速度過慢；當過高，則溶液不穩(wěn)定。度過慢；當過高，則溶液不穩(wěn)定。 它的存在能提高蝕刻劑對銅的腐蝕它的存在能提高蝕刻劑對銅的腐蝕能力并保持較高的蝕刻速度。能力并保持較高的蝕刻速度。 蝕刻速度隨溫度的升高而加快蝕刻速度隨溫度的升高而加快 pH=8.5最好，這時溶液中既有足最好，

11、這時溶液中既有足夠絡合劑夠絡合劑NH3又不會因又不會因PH過高而過高而使氨揮發(fā)造成大的損失。使氨揮發(fā)造成大的損失。5. 蝕刻液的再生蝕刻液的再生v（1 1）結晶法）結晶法 將溶液冷卻，使其中的銅鹽結晶并將溶液冷卻，使其中的銅鹽結晶并沉淀出來，采用連續(xù)過濾的方法，除去。沉淀出來，采用連續(xù)過濾的方法，除去。v（2 2）萃取法）萃取法 一般使用的萃取劑一般使用的萃取劑“2 2羥基羥基5 5另辛基二苯甲洞肟另辛基二苯甲洞肟 ”。 v（3 3）酸化）酸化 將用過的蝕刻液加入鹽酸酸化處理將用過的蝕刻液加入鹽酸酸化處理v（4 4）堿化）堿化 可向蝕刻液中加入過量的堿，提高溶可向蝕刻液中加入過量的堿，提高溶液

12、的液的PHPH值，使值，使CuOCuO沉淀出來沉淀出來 v8.4.8.4.過氧化氫和硫酸蝕刻劑過氧化氫和硫酸蝕刻劑這種蝕刻劑的基本組成是這種蝕刻劑的基本組成是過氧化氫過氧化氫和和硫酸硫酸，為改善蝕，為改善蝕刻性能和穩(wěn)定性，加入相應的穩(wěn)定劑和催化劑刻性能和穩(wěn)定性，加入相應的穩(wěn)定劑和催化劑v8.4.2 8.4.2 蝕刻機理蝕刻機理v它具有很強的氧化性，使銅氧化為二價銅的氧化它具有很強的氧化性，使銅氧化為二價銅的氧化物，物，H2SO4H2SO4使氧化銅溶解，完成蝕刻過程：使氧化銅溶解，完成蝕刻過程：H H2 2O O2 2HH2 2O+OO+OCu+HCu+H2 2SOSO4 4CuSOCuSO4

13、4+H+H2 2O OCu+HCu+H2 2SOSO4 4CuSOCuSO4 4+H+H2 2O Ov總反應式為：總反應式為：Cu+HCu+H2 2O O2 2+H+H2 2SOSO4 4CuSOCuSO4 4+2H+2H2 2O O蝕刻工藝 2.印制電路板的清洗印制電路板的清洗3.蝕刻液的溶銅量蝕刻液的溶銅量 1.蝕刻劑的配制蝕刻劑的配制先先取總體積取總體積1/3的的水水再再加入加入磷酸磷酸、硫硫酸酸，待溶液到，待溶液到4050，再再加加穩(wěn)定劑穩(wěn)定劑、過過氧化氫氧化氫清洗的工藝流清洗的工藝流程程堿液除膜后大堿液除膜后大水沖洗水沖洗用含用含洗滌劑的水沖洗滌劑的水沖洗洗水沖洗水沖洗鈍化浸漬鈍化浸

14、漬水水洗洗風干風干溶液中的銅達到溶液中的銅達到本工藝要求的本工藝要求的最最大允許程度大允許程度時，時，則蝕刻液須進行則蝕刻液須進行再生處理再生處理，回收，回收反應產生的硫酸反應產生的硫酸銅銅 蝕刻液的再生 將將過飽和溶液過飽和溶液，降低溫度，降低溫度，使立即產生大使立即產生大量量CuSO4結結晶晶沉出沉出 蝕刻液的再生方法蝕刻液的再生方法陽極陽極用用鉛鉛，陰陰極極用經硝酸鈍用經硝酸鈍化處理過的化處理過的不不銹鋼板銹鋼板電解電解(1)冷卻結晶法冷卻結晶法 (2)電解法電解法配方123456過硫銨（NH4）2S2O8(g)240220260100240240過硫酸鈉(Na2S2O8)(g)360硫

15、酸（H2SO4）（ml）13磷酸（H3PO4）（ml）501001515氯化汞（HgCl2）（ml）685ppm5ppm5ppm氨水（NH3H2O）（ml）150穩(wěn)定劑（g）適量0.260.260.26溫度（）4045pH9.58.5 過硫酸鹽蝕刻過硫酸鹽蝕刻v8.5.2 8.5.2 蝕刻機理蝕刻機理過硫酸鹽在水溶液中發(fā)生水解反應：過硫酸鹽在水溶液中發(fā)生水解反應：S S2 2O O8 82-2-+H+H2 2OHSOOHSO5 5- -+HSO+HSO4 4- -HSOHSO5 5- -+H+H2 2OHSOOHSO4 4- -+H+H2 2O O2 2H H2 2O O2 2HH2 2O+O

16、O+Ov因此，水解后的產物具有很強的氧化性，可使銅因此，水解后的產物具有很強的氧化性，可使銅氧化并溶解，形成氧化并溶解，形成CuSOCuSO4 4 Cu+(NHCu+(NH4 4) )2 2S S2 2O O8 8CuSOCuSO4 4+(NH+(NH4 4) )2 2S0S04 蝕刻工藝及工藝因素 蝕刻工藝因素蝕刻工藝因素pHH3PO4濃度濃度硫酸的濃度硫酸的濃度 溶銅量溶銅量溫度溫度 8.7 側蝕與鍍層突沿側蝕與鍍層突沿v8.7.1 8.7.1 側蝕原因側蝕原因 v 在采用減成法或半加成法制造印制電路板時，在在采用減成法或半加成法制造印制電路板時，在蝕刻工藝中，隨著蝕刻向縱深方向發(fā)展的同時

17、，蝕刻工藝中，隨著蝕刻向縱深方向發(fā)展的同時，銅導線的側面地被腐蝕銅導線的側面地被腐蝕，這種現(xiàn)象成為，這種現(xiàn)象成為“側蝕側蝕”。側蝕現(xiàn)象是蝕刻中不可避免地，只能設法減少，側蝕現(xiàn)象是蝕刻中不可避免地，只能設法減少，但不可能消除。但不可能消除。圖8-11 側蝕后的銅導線縱斷面示意圖a.光致抗蝕劑及絲網印刷印制板 b. 鍍金屬抗蝕劑印制板v用金屬作為抗蝕層的印制板，由于電鍍時，電鍍用金屬作為抗蝕層的印制板，由于電鍍時，電鍍成功橫向變寬，側蝕后形成蘑菇狀縱斷面，鍍層成功橫向變寬，側蝕后形成蘑菇狀縱斷面，鍍層突出于銅導向外邊，形成一個突出于銅導向外邊，形成一個“房沿房沿”狀邊沿稱狀邊沿稱為為“突沿突沿”。

18、由于突沿較薄易碎落，能引起導線。由于突沿較薄易碎落，能引起導線間的短路。間的短路。v由于側蝕所產生的側蝕成都稱為由于側蝕所產生的側蝕成都稱為“蝕刻因素蝕刻因素”或或“蝕刻系數(shù)蝕刻系數(shù)”。蝕刻系數(shù)定義蝕刻系數(shù)定義為：蝕刻深度與側為：蝕刻深度與側蝕寬度之比蝕寬度之比v蝕刻系數(shù)越蝕刻系數(shù)越大大，則側蝕越，則側蝕越輕輕。圖8-12 印制板在蝕刻中的蝕刻系數(shù)v 8.7.3 8.7.3 突沿的產生突沿的產生v 在圖形電鍍蝕刻工藝中，由于鍍銅后再鍍錫鉛金屬層，在圖形電鍍蝕刻工藝中，由于鍍銅后再鍍錫鉛金屬層，或其它金屬層，它們的總厚度與抗蝕層的厚度不一致，可或其它金屬層，它們的總厚度與抗蝕層的厚度不一致，可能出現(xiàn)三種情況：能出現(xiàn)三種情況：v 電鍍層的總厚度小于抗蝕層的厚度，點都城不會增寬電鍍層的總厚度小于抗蝕層的厚度，點都城不會增寬圖8-13圖形電鍍后Sn-Pb合金層不增寬示意圖v電鍍銅層的總厚度小于抗蝕層厚度，而電鍍錫鉛合金電鍍銅層的總厚度小于抗蝕層厚度，而電鍍錫鉛合金層厚度與電鍍銅層厚度之和大于抗蝕層厚度時，僅鍍錫層厚度與電鍍銅層厚度之和大于抗蝕層厚度時，僅鍍錫鉛合金的寬度增寬。鉛合金的寬度增寬。圖8-14圖形電鍍后Sn-Pb合金層增寬示意圖v電鍍銅厚度超過抗蝕刻層厚度，這時不僅電鍍銅層的線電鍍銅厚度超過抗蝕刻層厚度，這時不僅電鍍銅層的線寬增寬而且以后的鍍錫鉛合金層或其它金屬鍍