精细导线印制板的加工制做

一、前言
    随着电子工业的飞速发展，一些电子产品迅速向微型化发展，对精度和组装密度的要求越来越高。相应的对印制板的加工精度和密度的要求也越来越高。这种含有超细导线和间距的印制板的生产，用常规的印制板生产方法是无法完成的，必须对生产中的关键工序进行改造或改良才能满足超细导线的生产制造。本文就以一医疗设备上所使用的一种印制板的生产为例，简述含有超精细导线的印制板在生产制造中应该注意的问题。该印制板图形比较简单，但导线宽度为20μm，导线间距为0．1mm，铜箔厚度不做要求。
二、生产工艺的选择  
    2．1 制做方法
    由于侧腐蚀现象的存在，蚀刻出的导线开头如图1所示。本方法采用的是过蚀刻的方法来实现的。也就是说，在光绘时所绘导线宽度大于要求的导线宽度，在达到蚀刻终点时继续蚀刻，一直到达到所要求的导线宽度。通过金相照片可以看到导线截面的形状，过蚀刻的导线陡直度比常规蚀刻的导线要好。这是因为过蚀刻过程导线底端的蚀刻速度比导线顶端快(如图2所示)。值得一提的是，在过蚀刻过程中会出现抗蚀层悬空现象，在喷淋压力或机械外力的作用下容易发生抗蚀层断现象，从而会形成断线。因此要根据具体的蚀刻机状态选择合适的过蚀刻尺寸。

  
  
图 1 蚀刻终点时导线侧壁形状250X
  图 2 过蚀刻后的导线形状300X
  

    2．2 照像底版
    光绘时要选用分辨率高的光绘机，否则会使斜导线呈锯齿状，而锯齿形的导线将会使超精细导线的生产成为不可能。常规的照像底版是由银盐底版翻版而成的重氮底版。对于这种超细导线的制做就不适合。这是因为在翻版过程中由于曝光能量的不同，翻版后的导线宽度会有所变化；另外翻版过程中会由于曝光区的不清洁或人为因素造成断线或短路现象，而象20μm这样细的导线是无法人工修复的。因此本方法采用银盐底版直接成像。曝光能量的选择原则是使得曝光后的导线宽度与照相底版的宽度保持一致。
    2．3 铜箔的清洁处理
    在进行抗蚀剂涂布前要对铜箔进行严格的清洁处理，以保证抗蚀剂良好的粘附在铜箔表面。处理后的铜箔表面应该具有下列特征：1．去除表面所有的污物和杂质；2．表面要有严格的平整性；3．铜箔表面要有均匀的粗糙度。目前铜箔表面清洁的方法主要有以下几种：
    A．磨料刷子清洁
    这种方法是通过旋转磨料与板面之间相切运动的作用，机构的刮切和粗化板面，同时也除去了表面的污物。这种方法处理后的板面会形成许多平行的凹痕。凹痕越密越细，板面与抗蚀剂的结合力就越好。但这些凹痕是后面蚀刻工序造成断线的隐患。因为当采用干膜做抗蚀剂时，干膜会在这些凹痕处形成“桥”，在蚀刻过程中溶液就会渗入这些凹痕，从而造成断线；采用液体感光抗蚀剂时，虽然不会因为凹痕处没有抗蚀剂而造成断线，但在制做精细导线时，由于导线极细，凹痕的存在也会造成抗蚀剂的断裂而形成断线。
    B．浮石粉刷板机
    使用浮石粉刷板机清洁板面是在70年代开始的。浮石粉是来自火山灰的一种复杂的天然硅化合物，它的颗粒大小不一，重量较轻，比重小于1。采用浮石粉和尼龙刷辊进行刷板时，浮石粉对板面的冲击形成了微观上凹凸不平的粗化表面。这种粗化痕迹没有方向性，不会形成明显的凹痕，抗蚀剂能够理想的附着在板面上。是目前比较理想的清洁方法之一。
    C．氧化铝尼龙刷辊刷板
    氧化铝是人工生产的，比重较大，颗粒比较均匀一致，无任何方向性，无刷痕等。可以根据不同类型的印制板和不同的表面处理要求来选择适当的氧化铝粒度，这种粒度可以在氧化铝的生产中控制在一个非常小的范围内，刷板效果与浮石粉机相同。
    D．化学清洗
    化学清洗是首先用化学试剂除去表面的有机杂质和无机污染物，然后用微蚀液对表面进行粗化处理。经过这种处理后的铜箔表面具有良好的粗糙度，而且不存在任何的机械划痕或残留的刷料微粒，因此是细线加工中理想的铜箔处理方法。但是，这种方法在进行清除铜箔表面污物时一定要进行彻底，必须保证在微蚀前将表面上所有的污物清洗干净，这样才能做到微蚀后具有均匀的粗糙表面。但在实际应用中很难做到用一种或有限的几种化学试剂将所有的有机和无机的污物清除干净。另外这种方法具有高成本，水耗量大，废水处理困难等问题，因此在应用中受到一定的限制。
    根据上述几种清洁方法的比较，本次生产采用浮石粉尼龙辊刷板，在合理的压力下，既保证清除表面污物，又能做到板面具有良好的粗糙度。
    2．4 抗蚀剂的选择和涂布
    常用抗蚀剂主要有干膜、液体感光抗蚀剂、光刻胶等。液体感光抗蚀剂具有粘着力强等优点，但是这种抗蚀剂在涂布时容易产生静电吸附浮尘粘在印制板上。因此应选择防静电丝网，避免由于静电原因使得灰尘吸附到抗蚀层中，而任何的板面污物都可能造成断线或导线缺口。由于含有精细导线的印制板在图像转移后很难修复断线或缺口，因此一定要在前期工序中避免任何的缺陷。另外还要选择好抗蚀剂的粘稠度，保证印制板的金属化孔内良好地覆盖一层抗蚀剂。在抗蚀层热固时，要选择好适当的温度和时间，以保证抗蚀剂与铜箔粘结力达到最大并保持干燥，以防止在图像转移时因真空度高而粘底版。
    2．5 图像转移
    图像转移工序的关键因素是：曝光区域的洁净度、曝光能量的选择、显影速度的选择等。一般情况下，曝光机很难做到整个曝光区域内绝对的光能量一致，因此在制做精细导线印制板时尽量做到单块印制板同一位置曝光。因为我们采用的是掩膜(孔)蚀刻法，图像转移时所用的底片是阴版，因此曝光能量越大导线越宽，反之导线就会变窄。本次实验掌握的原则是尽量保持晒像前后导线宽度的一致性，因为变宽或变窄都会给后面蚀刻工序造成麻烦。通过试验本次生产所采用的光能量为230mj／cm2。曝光后显影速度选择的原则是尽量保持稍慢的显影速度，这样做的目的是保证显影完全，以使后面的蚀刻工序顺利进行。但是不能太慢，否则会造成抗蚀剂脱落。  
    2.6 蚀刻
    掩孔蚀刻采用的是酸性蚀刻液。蚀刻前首先要清洗蚀刻机，将传动辊上的结晶清除干净以避免残渣落在印制板上，再被传动辊挤压而将抗蚀层划断造成断线。蚀刻要一次完成而不能返工再次喷淋。因为我们采用的是过蚀刻法，有抗蚀层悬空现象，在经过传动辊时会将其压断，再次喷淋会造成断线。为掌握好喷淋时间，首先要做好喷淋时间与过蚀刻深度的曲线图，然后根据所需要的过蚀刻量选择喷淋时间，在相同的蚀刻条件下进行生产。  
    2．7 去膜、图形镀金  
    蚀刻后的去膜采用浸泡法而不能用去膜机。这样做的原因也是考虑到导线极细，如果用机器去膜可能会由于机械原因划伤与断线。去膜后为保护铜不被氧化，可以采用图形镀金的方法。镀金时要保持细导线上金与铜的结合力，可以考虑采用较低的电流密度。  
三、试验
    为确保20μm导线的印制板生产的顺利进行，特做下列试验：
    3．1 过蚀刻量与蚀刻时间曲线  
    试验条件：蚀刻液组成    

30％HCL含量                    50ml/l
CU2+ 含量                      164g/l
蚀刻温度                       53℃
喷淋压力       上喷淋：        0.15MPa
               下喷淋：        0.14Mpa
    表 1 过蚀刻量与过蚀刻时间

过蚀刻时间（S） 25 50 75 100 125 150 175  
过蚀刻深度（μm） 10 17 24 30 35 40 44  

    3．2 采用25μm、50μm、100μm三种不同导线宽度的底版过蚀刻后的蚀刻状况

　 25μm 50μm 100μm  
断线情况 无 无 0.1％  
抗蚀层断裂情况 无 无 0.2％  
导线平直度 中 等 优 良  

  
    通过上面试验数据可以看到，采用25μm底版生产的印制板由于过蚀刻的尺寸太小，使得导线平直度不太好；采用100μm导线的印制板过蚀刻尺寸又太大，会有轻微抗蚀层断裂现象，可能会造成断线。
    3.3 不同厚度的铜箔对产品质量的影响
    将35μm铜箔进行腐蚀减薄分别得到9μm、25μm两种铜箔，再加上现有的18μm和35μm两种铜箔，在相同的生产工艺条件下进行生产。比较这四种板材做出的印制板的性能，然后选择合适的板材。

　 9μm 18μm 25μm 35μm  
断线情况 无 无 无 无  
抗蚀层断裂情况 无 无 无 无  

四、总结
    含有微米级导线的印制板的生产可以说是印制板生产中的极限产品。通过生产实践我们可以看到，要想达到理想状态的生产确实有很大困难，但只要选择好正确的方法，对生产工序中的关键地方进行细微化处理也是可以实现的。超细导线印制板生产的实现也为相关电子产品赶超世界先进水平提供了保障。当然上述方法还只适合于小批量生产，要实现大批量生产还要对相关工序进行改造或改良。另外，在蚀刻液中添加适当的添加剂，保护导线侧壁不被腐蚀，从而解决了侧腐蚀问题，就可以按照正常的工艺进行生产而不必采用过蚀刻的方法。这样就大大方便了生产。