真空蚀刻技术

     一种改良过的适用于生产超精密板的蚀刻技术
Vacuum Etching Technology: An Improved Etching Technique for Ultra-Fine Structures
By Frank Baron and Ron Salerno  
　　关键词：Vacuum Etching：真空蚀刻、Puddle effect：水坑效应(也称水池效应)
　　Etch Factor：蚀刻因子

　　蚀刻制程是PCB制造的一个基本生产步骤：首先采用抗蚀剂盖住覆铜板上需保留的导线及元器件引脚，利用蚀刻除去未被抗蚀剂覆盖的不需要保留的铜，生成需要的导电图形。蚀刻技术的挑战性较大，特别是在生产精细导线的板时，公差要求很严，不允许出现任何错误。因此蚀刻后效果需尽可能保持一致。

　　因水平湿制程线的自动化程度较高，PCB制造商在生产中使用较多，这样一来，使得蚀刻工艺进一步复杂化。作为自动化设备提供的低成本的代价，我们无法避免水坑效应，因为水平线的上下板面的蚀刻效果不同，明确地说，板边的蚀刻速率比板中间部位的蚀刻速率要快。在某些情况下，可能会造成 严重地比例失调(见图1)。

图1：水坑效应  

　　水坑效应会导致对板边部分导线的侧蚀远远大于对板中央部分导线的侧蚀。即使精心布线修正来补偿蚀刻速率的不同 (轻微加宽沿板边的导线的线宽)，也因超精细线路严格的公差要求而避免不了失败的结局。

　　造成蚀刻速率不同的原因很明显。在水平传送线中，因线路板朝上部分板边的蚀刻液比较容易流走，所以经常可得到新鲜蚀刻液补充。相反，在板中央部分会产生水坑效应，因蚀刻液较难得到更新，所以该区域蚀刻速率比蚀刻液容易排走/流走的板边或板的朝下一面慢。在实际操作中，水平的传送辘阻碍了蚀刻液的排出，使其在辘间积存，所以无法避免水坑效应的产生。

　　水坑效应在生产大板或超精细导线板时变得特别明显。除非进行较大规模的技术投入，否则就算进行特别的工艺工程措施时，如：将可单独调节的喷管调至与传送方向平行，对喷射歧管进行摆动或修正复蚀刻系统，该问题都无法衩妥善处理。所以从一开始就要避免蚀刻时出现水坑效应。

　　在去年底，PILL e.K.发布了一项新的工艺技术，仅通过抽水泵来吸取使用过的蚀刻液就可改善板面朝上部分的蚀刻液的流动性，从而阻止水坑效应的产生。 这种方法被称为真空蚀刻 (见图2-3)。

　　第一条真空蚀刻线于2001年11月在Productronica向公众演示。同时由线路板制造商进行的测试也确证了仅在用较少的精力控制工程条件的情况下，真空蚀刻工艺可达到卓越的效果。

　　经真空蚀刻后，在板的双面整个表面蚀刻效果都非常均匀 (见图4-5)。

　　真空蚀刻技术的原理很简单。蚀刻段 (见图6) 中不仅安装了喷嘴，也在喷管之间离线路板表面相对距离较近的位置安装了抽气单元。这些抽气单元将使用过的蚀刻液吸走后，通过闭合回路回到模块的液槽中。  

  

　　在这里真空指系统操作区域的负压和刚够防止蚀刻液产生水坑效应的较低的吸力。即使是最薄的内层板也不能被抽气单元吸起，且生产精度需得到保证。设计者通过将抽气机的轨道与传送系统中的上层固定辘连接，确保了抽气过程与板面之间距离为最佳值，不管生产的是薄板还是厚板均可被处理。此点意味不管是何种类型的PCB板，均能得到均匀的蚀刻液抽出率。在整个24”X24”大板的表面上，线路板朝上的一面，仅发现有1 micron的铜厚波动。经比较，板朝上部分与朝下部分的蚀刻效果基本一致。

　　使用真空蚀刻技术生产板的线路质量也非常好。 与不同PCB制造商一起进行的详细测试表明新的真空蚀刻技术可生产出更直的导体剖面，这样生产出来的板就可更精确地接近布线的要求。

　　在真空蚀刻工艺中，反映在抗蚀膜下蚀刻介质对导线侧面攻击量的收缩率及用来描述导线蚀刻深度与侧向蚀刻量的蚀刻因子的值都非常高。 (图7-8)。

　　图7：板朝下部分的蚀刻效果 图8：板朝上部分的蚀刻效果

　　当然，也有一系列基本不受制造商影响的其它因素会影响到实际蚀刻效果。例如，抗蚀剂的厚度，曝光和显影工序的质量、蚀刻基材的铜厚各有很大的影响，总的来说，估计蚀刻工序或蚀刻液的更新频率对蚀刻效果的影响仅占一半。但PILL项目经理Oliver Briel强调“事实证明我们让这50%完全受控”。

真空蚀刻工艺也有如下一系列其它的优势：

可充分利用蚀刻流程的产能。因蚀刻速度增快使生产时间缩短，所以蚀刻流程的产量上升。  
因第一次蚀刻就可达到满意的效果，所以无需返工进行重蚀刻。  
可以减少相关的工厂控制工程，降低相应的成本。  
真空蚀刻系统采用相对简单的技术就可生产超精细导线，不再需要安装可摆动的喷射歧管。  
可不再使用间歇性可调节喷射压力的喷嘴构造。该设计主要用于确保减少水坑效应，现简单地采用吸气系统就可完成该功能。  
真空蚀刻技术允许流程模块更短、更紧促，可在同一模块中同步完成吸气及蚀刻的功能。  
　　真空蚀刻技术系统的额外的优势在于喷射歧管可沿行进方向横向安置。用于生产精细导线板的传统喷射歧管，其喷管通常需沿行进方向纵向安置，以便在板边和板中可有不同的喷压存在。喷管与行进方向角度适当便于维护且更换时需要的时间较少，而且这种排置方法也可以对每个喷射歧管单独进行简单的流量电气监控。如果出现不规则的情况，使用者能够立即识别出是哪支喷射歧管出现问题，然后可毫不延误地直接进行调整。

　　真空蚀刻技术未来潜力非常大，因该制程特别适于细导线及超细导线结构板的生产。对低于50微米的导电图形的初步测试可得到承诺的结果。现正对采用真空蚀刻技术生产厚铜板线路的能力进行进一步评估，目前所有的数据均表明结果良好。特别值得注意的是，试验时不仅采用传统氯化铜作为蚀刻介质，而且也采用目前特别是在亚洲普遍使用的氯化铁(Ⅲ)作为蚀刻介质。尽管使用这种蚀刻介质需要较长的时间，但其导体剖面陡直度较大时效果比较好，而且毫无疑问地为目前已被作为标准接受的流程提供了一种替代，特别是对于特细线路的生产。  

　　如有要求，真空蚀刻线可安装有利环保的再生系统：，根据HUMLEITEC研发的技术，不再使用过氧化氢，使用空气中的氧，即不需另外添加纯氧，重新氧化铜氯化物溶液。在长时间的实际应用中，已证明了采用这种技术的系统是成功的，而且很快就可收回投资成本。