酸性氯化铜蚀刻液和碱性氯化铜蚀刻液

         

化学蚀刻是制造PCB的重要工艺，是除了电镀之外最复杂的化学工艺之一，这是因为蚀刻过程中有很多不同的变量会影响生产效率和产品。虽然蚀刻很复杂，但PCB制造商普遍使用的蚀刻液屈指可数。到目前为止，最常见的蚀刻液是酸性氯化铜蚀刻液和碱性氯化铜蚀刻液（以下简称酸性蚀刻液和碱性蚀刻液），后者通常被称为“含氨碱性蚀刻液”。当然还有其他的蚀刻液，例如氯化铁、过硫酸钠和碱性硫酸氨，但这些蚀刻液并不常用于PCB制造过程，而且通常只在“特殊情况”下使用。以后的专栏文章将深入介绍其他蚀刻液，本文主要介绍酸性氯化铜蚀刻液和碱性氯化铜蚀刻液。

 

酸性蚀刻液和碱性蚀刻液

 

大多数PCB蚀刻工厂都会使用这两类蚀刻液，其中最常用的就是碱性蚀刻液。为了展示这两类蚀刻液的工作原理，表1列出了对应的再生反应化学方程式。

 

表1:酸性蚀刻液和碱性蚀刻液的反应方程式

 

这两种蚀刻液被广为使用的原因之一是其再生能力很强。通过再生反应，可以提高蚀刻铜的能力，同时，还能保持恒定的蚀刻速度。在批量PCB生产中，既要保持稳定的蚀刻速度，还要确保这一速度能实现最大产出率，这一点至关重要。蚀刻速度对生产速率会产生很大的影响，所以在对比蚀刻液的性能时，蚀刻速度是主要考量因素。

 

蚀刻速度

 

相比之下，碱性蚀刻液的蚀刻速度遥遥领先，可达到2.0~2.5mil/min，而酸性蚀刻液只有1.0~1.6 mil/min。对此，碱性蚀刻液要比酸性蚀刻液更受欢迎。蚀刻工艺占据了整个PCB生产用时的主要部分，所以缩短蚀刻时间几乎可以将产量翻倍。若想使用酸性蚀刻液达到相同的产量等级，就需要投资购买设备，让加工生产线上的蚀刻区域变得更长，也就是说要增加连续蚀刻槽的数量。

 

再生

 

如表1所示，两种蚀刻液都能通过再生反应来恢复蚀刻液的质量。但相比之下，酸性蚀刻液的再生反应更加简单，大多数情况下只需要将试剂注入蚀刻设备中即可，所以更有优势。

 

但使用碱性蚀刻液时，整个再生流程就会复杂得多，因为需要通过设备产生气流来不断送入氧气才能发生再生反应。设备送入气流的方式要经过优化，整个过程会比较烦琐。使用碱性蚀刻液时，要让溶液中持续含有一定量的氨气。如果送入的气流流量过大，就会快速消耗氨气；如果送入的气流流量过小，蚀刻的面板越多，蚀刻速度就会下降越快。使用液-液萃取法是另一种使用碱性蚀刻液发生再生反应的形式，可以有效利用碱性蚀刻液。但要投入额外的资本，且需要专业人员才能操作，所以并不常用。行业通常的做法是，废弃的碱性蚀刻液会被送到专门的回收商，用液-液萃取法做再生还原处理后再销售。

 

蚀刻因子

 

蚀刻因子为蚀刻厚度与侧蚀刻量之比。蚀刻因子大是碱性蚀刻液更受欢迎的另一个原因。碱性蚀刻液的蚀刻因子可以达到4∶1（即蚀刻厚度是侧蚀刻量的4倍）。而酸性蚀刻液的蚀刻因子则是标准的3∶1（图1）。图1可阐释蚀刻性能，其中碱性蚀刻液数据是基于理想的操作条件下得出。

 

图1:蚀刻1盎司铜时，碱性蚀刻液与酸性蚀刻液的对比

 

正是因为碱性蚀刻液的蚀刻因子更理想，所以在蚀刻较厚铜层的PCB时才有可能应对更精细的间距和走线。虽然碱性蚀刻液的蚀刻因子高，但只有在最佳条件下才能达到4∶1。通常在操作中很难达到最佳条件。

 

化学药水控制

 

尽管碱性蚀刻液的一些属性很利于PCB生产，可是这种蚀刻液却很难维护。使用碱性蚀刻液要采取很多预防措施，而在使用酸性氯化铜或氯化铁蚀刻液时无需这类措施。这是因为碱性蚀刻液要用到氨气这种极易挥发的气体。一旦溶液中的含氨率降低到一定水平，就会发生不可逆的析出反应（通常被称为是“污泥”），从而导致蚀刻液失效。为避免这种情况发生，需要确保蚀刻液一直处于使用状态下，静置不能超过两天。在使用过程中，还要控制蚀刻液的使用条件，其工艺参数范围非常小，不易控制。

 

酸性化铜蚀刻液则形成鲜明对比，操作十分简便。可能在所有金属蚀刻液当中，氯化铜是最便于使用的，保持稳定蚀刻速度的参数窗口相对比较宽。如果在操作过程中稍微偏离了参数，对蚀刻结果也不会产生太大影响。同时，酸性蚀刻液也不像碱性蚀刻液那样，不允许间歇性使用。

 

抗蚀剂的兼容性

 

在任何化学蚀刻工艺当中，抗蚀剂和蚀刻液的兼容性很重要。如果不匹配，抗蚀剂就会在蚀刻过程中翘起或者从表面脱落，导致无法获得希望的电路特征。对这两种蚀刻液而言，抗蚀剂兼容性的差别非常大。酸性蚀刻液与大多数金属抗蚀剂都不兼容，因此，通常只用于蚀刻PCB内层；而碱性蚀刻液正相反，它与大多数金属抗蚀剂都兼容，但缺点是与很多可剥离的碱性光致抗蚀剂（干膜）不兼容。鉴于这两种蚀刻液在抗蚀剂兼容性上处于两个极端，大多数PCB制造商会同时采用这两种蚀刻液分别进行内层和外层加工。

 

总结

 

这两种蚀刻液各有其优缺点，见表2。

 

表2:酸性蚀刻液和碱性蚀刻液的优缺点对比

 

从表2可以看出，酸性蚀刻液也许是更好的选择。其化学反应过程更简单，维护方式也更简便，单就这两点而言就可以弥补其不足之处。除非PCB制造商每天都要进行加工生产操作，并且需要在PCB上加工出很细的走线和间距，和、或需要用到金属抗蚀剂，否则没有必要使用碱性蚀刻液。如果不具备以上3点条件，但还是想使用碱性蚀刻液，最好聘请一位有相关经验的化学专家或工艺工程师来维护。

 

审核编辑 ：李倩