真空蝕刻技術(shù)：一項(xiàng)改良的超細(xì)線路蝕刻技術(shù)
革命性的蝕刻概念---有效防止“水池效應(yīng)”和提高蝕刻均勻性
Frank Baron and Ron Salerno

蝕刻過程是PCB生產(chǎn)過程中基本步驟之一，簡(jiǎn)單的講就是基底銅被抗蝕層覆蓋，沒有被抗蝕層保護(hù)的銅與蝕刻劑發(fā)生反應(yīng)，從而被咬蝕掉，最終形成設(shè)計(jì)線路圖形和焊盤的過程。當(dāng)然，蝕刻原理用幾句話就可以輕而易舉地描述，但實(shí)際上蝕刻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)還是頗具有挑戰(zhàn)性，特別是在生產(chǎn)微細(xì)線路時(shí)，很小的線寬公差要求，不允許蝕刻過程存在任何差錯(cuò)，因此蝕刻結(jié)果要恰到好處，不能變寬，也不能過蝕。
進(jìn)一步解釋蝕刻的過程，PCB制造商更愿意使用水平的蝕刻線進(jìn)行生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)最大程度上的生產(chǎn)自動(dòng)化，使生產(chǎn)成本降低，但水平蝕刻也不是十全十美，無法消除的“水池效應(yīng)”使板的上表面和下表面產(chǎn)生不同的蝕刻效果，板邊的蝕刻速率比板中心的蝕刻速率快，有時(shí)候，這種現(xiàn)象會(huì)使板面上的蝕刻結(jié)果產(chǎn)生比較大的差異。（見圖1）
也就是說，“水池效應(yīng)”會(huì)使板邊上的線路過蝕比板中心的線路過蝕大，甚至精心進(jìn)行的線路修正（在板邊上適當(dāng)?shù)丶訉捑€路寬度），來補(bǔ)償不同的蝕刻速率也會(huì)出現(xiàn)失敗，因?yàn)橐@得超細(xì)的線路必須非常精細(xì)的控制蝕刻公差。

這種情況導(dǎo)致蝕刻速率的變化是十分顯著的。位于線路板上面，靠近板邊的部分，蝕刻液更容易流出板外，新舊蝕刻液更容易進(jìn)行交換，因此保持了較好的蝕刻速率。而在板中心的位置，比較容易形成“水池”情況，蝕刻劑的流動(dòng)因此受到限制，富含銅離子的溶液流出板面相對(duì)要難一些，結(jié)果對(duì)比板邊或板的下面，蝕刻效率降低，蝕刻效果變差。實(shí)際上，在實(shí)踐中不太可能避免“水池效應(yīng)”，因?yàn)殒湕l式的水平傳動(dòng)輥輪會(huì)阻止蝕刻液的排出，結(jié)果導(dǎo)致蝕刻液在輥輪間積聚，這種現(xiàn)象在生產(chǎn)面積較大的板或超微細(xì)線路時(shí)更加明顯，即使是采用了比較特殊的生產(chǎn)過程控制和補(bǔ)償方式，例如水平于傳輸方向可獨(dú)立調(diào)整的噴淋系統(tǒng)、增加振蕩式的噴淋管及增加矯正性的再蝕刻段等，如果沒有巨大的技術(shù)投入，這個(gè)問題也無法很好解決，于是實(shí)現(xiàn)避免“水池效應(yīng)”的目標(biāo)又不不得不回到起點(diǎn)，重新開始。
PILL公司去年底推出了一項(xiàng)新的蝕刻的技術(shù)，該技術(shù)通過加裝簡(jiǎn)單的抽氣裝置，吸取富含銅離子的舊蝕刻液，從而增加板上面蝕刻液的交換，有效的阻止“水池”產(chǎn)生，該技術(shù)被稱作“真空蝕刻”。

PILL公司推出的第一條生產(chǎn)線于2001年11月開始安裝使用，其間PCB生產(chǎn)廠家進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只需要通過在工藝控制方面下一點(diǎn)點(diǎn)的工夫，真空蝕刻技術(shù)就可以獲得出色的蝕刻效果，在整個(gè)蝕刻板面上，不論上表面還是下表面都獲得了非常均勻的蝕刻線路。

真空蝕刻設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔而令人印象深刻。應(yīng)用該技術(shù)的蝕刻機(jī)蝕刻槽內(nèi)排布有噴淋管、噴淋頭等管線系統(tǒng)，還包括位于傳動(dòng)面近距離的上方與噴淋管之間的真空抽吸單元（見圖6）。這些真空抽吸單元吸取噴淋到印制板表面已經(jīng)發(fā)生過反應(yīng)的蝕刻液，然后將其返回到蝕刻液槽內(nèi)。這里的“真空”一詞指的是噴淋操作系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)壓，產(chǎn)生一個(gè)低的吸取力，剛剛好可以阻止蝕刻液“水池”的出現(xiàn)，當(dāng)然即使最薄的內(nèi)層板生產(chǎn)也不會(huì)受到吸力的影響，都可以非常精確的進(jìn)行加工。抽吸單元連結(jié)在傳動(dòng)系統(tǒng)上的固定桿上，特別設(shè)計(jì)的最佳間距使各種厚度的板都可以加工，這意味著不需要再顧慮PCB的厚度類型。經(jīng)過測(cè)試的數(shù)據(jù)顯示，在線路板的上表面，24×24inch的整個(gè)板面銅厚度波動(dòng)范圍只有±1個(gè)微米，板的上表面和下表面的銅厚度異也非常小。

使用真空蝕刻技術(shù)的PCB生產(chǎn)廠家進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)可以獲得高質(zhì)量的線路蝕刻結(jié)果，線路側(cè)壁陡峭，線路寬度、形狀與線路布設(shè)的要求符合性非常好。不論是反映抗蝕層下蝕刻劑側(cè)向咬蝕銅的側(cè)蝕因子， 還是描述線路側(cè)壁的傾斜度的蝕刻因子，在數(shù)值上都是十分令人滿意的。

當(dāng)然，實(shí)際的蝕刻結(jié)果還要受生產(chǎn)工廠具體的一系列其它因素的影響。例如干膜的厚度的影響，曝光和顯影過程的質(zhì)量對(duì)蝕刻結(jié)果的影響，銅厚度對(duì)蝕刻結(jié)果的作用等等，這些條件都扮演著重要角色，總的來說，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，有50%的蝕刻效果是由蝕刻過程和蝕刻液的交換情況決定的，PILL公司的項(xiàng)目經(jīng)理Oliver Briel先生強(qiáng)調(diào)：“這個(gè)真實(shí)存在的系統(tǒng)，提供了令人信服的證據(jù)，可以讓我們更有效的控制這50%。”
真空蝕刻技術(shù)也顯示了其它方面一系列的長(zhǎng)處：
1、 蝕刻過程的能力被更有效的發(fā)揮，因?yàn)楦叩奈g刻速度會(huì)使板通過蝕刻段的時(shí)間縮短，蝕刻過程的產(chǎn)量必然增加了。
2、 蝕刻過程在開始的蝕刻段即可完成，因此一般常用的蝕刻校正補(bǔ)償段可以取消。
3、 減少設(shè)備的維護(hù)工作量，相應(yīng)的成本也可以減少。
4、 使用這項(xiàng)相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)，可以使設(shè)備生產(chǎn)超細(xì)線路的能力提高，因此沒有必要再安裝搖擺噴淋系統(tǒng)。
5、 設(shè)備具有的可調(diào)節(jié)噴管壓力的間歇噴淋系統(tǒng)可以取消。真空蝕刻技術(shù)的設(shè)計(jì)確保水池效應(yīng)最小化，抽吸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使達(dá)到這樣的目的更加簡(jiǎn)單。
6、 真空蝕刻技術(shù)可以同時(shí)將抽取系統(tǒng)和蝕刻噴淋系統(tǒng)放置在同一蝕刻槽內(nèi)，因此蝕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)會(huì)更短、更緊湊。
另外，真空蝕刻技術(shù)還可帶來的好處，就是蝕刻機(jī)的噴淋管的方向可以安排在與板傳送橫切的方向上，而通常用于微細(xì)線路加工的蝕刻機(jī)，噴淋管排布的方向與板傳送的方向是一致的，這樣才可以使板邊和板中心獲得不同噴淋壓力。噴淋管橫向的排布，幷將噴淋管向板流入方向調(diào)整到恰當(dāng)?shù)慕嵌?，可以縮短更換噴嘴需要的時(shí)間，更容易進(jìn)行維護(hù)操作。這樣的排放結(jié)構(gòu)，每一個(gè)噴淋管的壓力可以使用單獨(dú)的電子流量器控制，使操作者能夠立即發(fā)現(xiàn)不規(guī)律蝕刻結(jié)果中的問題，并快速作出反應(yīng)。
真空蝕刻技術(shù)擁有非常巨大的應(yīng)用潛力，因?yàn)樗貏e適合微細(xì)線路、超微細(xì)線路的加工。早期的針對(duì)50微米以下線寬的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果就顯示了該技術(shù)十分有價(jià)值，到底這項(xiàng)技術(shù)是否適合厚銅線路的加工，也經(jīng)過了更深入的審視和討論，目前所有跡象表明的都非常令人鼓舞。特別有意義的是，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，應(yīng)用該技術(shù)的設(shè)備不僅可以使用傳統(tǒng)的氯化銅蝕刻液生產(chǎn)，而且可以使用目前在亞洲越來越流行的三氯化鐵蝕刻液進(jìn)行生產(chǎn)，雖然這種蝕刻液需要更長(zhǎng)的加工時(shí)間，但可以獲得更垂直的線路側(cè)壁。
如果要求，真空蝕刻生產(chǎn)線可以安裝有利于環(huán)境保護(hù)的再生系統(tǒng)：根據(jù)HUMLEITEC公司開發(fā)的技術(shù)，取代過氧化物，可以采用空氣中的氧來氧化再生氯化銅溶液，也就是說，溶液中不需要再添加純氧。應(yīng)用該技術(shù)的系統(tǒng)，在實(shí)際生產(chǎn)中可以長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)揮作用，投入添置系統(tǒng)的資金也可以很快的收回。

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