蚀刻因子、蚀刻函数.doc

蝕刻因子、蝕刻函數蝕銅除了要作正面向下的溶蝕外,蝕液也會攻擊線路兩側無保護的銅,稱之為側蝕(Undercut),因而造成如香菇般的蝕刻品質問題,Etch Factor即為蝕刻品質的一種指標Etch Factor一詞在美國(以IPC為主)的說法與歐洲的解釋恰好相反美國人的說法是”正蝕深度與側蝕凹鍍之比值”,故知就美國說法是”蝕刻因子”越大品質越好;歐洲則恰好相反,其因子卻是愈小愈好,很容易弄錯下圖為阻劑後直接蝕銅結果的明確比較圖不過多年以來,IPC在電路板學術活動及出版物上的成就早已在全世界業界穩占首要地位,故其闡述之定義堪稱已成標準本,無人能所取代氯 化 銅 蝕 刻 之 監 控前言: 近年來印刷電路板製程﹐在內層板或單面板的直接蝕刻上﹐使用氯化銅藥液者﹐愈來愈多但也因缺乏活用氯化銅的基本知識﹐而拒此法於千里之外者﹐亦常有之以下簡單整理有關綠化銅蝕刻的反應及其控制管理的情形﹐以供業界參考蝕刻之計算˙蝕銅反應(理論值): Cu(銅) + CuCl2(氯化銅)→ 2CuCl(氯化亞銅)……(1) 二價銅 一價銅 ˙再生反應: 2CuCl + 2HcL + H2O2→ 2CuCl + 2H2O……(2)˙由上述二式中氯化銅的再生循環﹐以說明再生及添加用量如下: 銅厚35μm(1 oz)之單面基板上﹐其平均銅重量約312.2g/m2﹐若假設蝕銅率為60%左右時﹐由(1)式中可得到所生成方程式上〝兩各單位〞的氯化亞銅﹐其重量應為:(312.2g/m2 x 0.6 ÷63.5) x 2 x 98.9 = 583 g再由(1)式中知其CuCl2應有的重量為: [(583 ÷2) + (583 ÷2 – 312 x 0.6)] = 396g由(2)式中可知﹐進行再生反應一必須使用之藥液量為:鹽酸 - - [583 ÷(2 x 98.9)] x 2 x 36.5 = 215g 雙氧水 - - [583÷(2 x 98.9)] x 1 x 34 = 100g水 - - [583 ÷(2 x 98.9)] x 2 x 18.2 = 106gCuCl2 - - [583 ÷(2 x 98.9)] x 2 x 134 = 792g 另純鹽酸215g換算成35%濃度的商品鹽酸時約為521cc。

純雙氧水100 g換算成35%濃度的商品雙氧水時約為253 cc 但是﹐由(1)式蝕銅後所產生CuCl中的銅為一價銅﹐是一種水溶性不佳的物質﹐附在銅面上時﹐會造成蝕銅能力之劣化﹐因而使得蝕銅速度減慢而一般在蝕刻槽內的化學反應多為連續性﹐且相當複雜﹐線從實際的反應型態上試做討論如下 Cu金屬銅在溶液中(二價銅)和金屬反應而產生一價銅因一價銅不溶解於水﹐致使(3)之蝕銅化學反應速度溶液中﹐可再溶解為H2Cu2Cl4(或H2CuCl2)2又因所加入的雙氧水可提供1個氧﹐使H2Cu2Cl4中的氫轉變為水﹐故再生成CuCl2 ↓(3) ←CuCl﹐ ↓2CuCl ↓ (3) ←2HCl↓H2Cu2Cl4 ↓(5) ←H2O2 ↓ 2CuCl2+H2O上述各反應將在蝕刻槽內持續的進行﹐而各種副反應亦會同時產生在(4) H2Cu2Cl4反應中﹐當雙氧水適量時﹐將與鹽酸反應而產生氯氣(Cl2)﹐造成鹽酸濃度的降低不但如此﹐也還會另外引起蝕銅機的損傷﹐板子上耐酸油墨的溶解﹐以及蝕銅效率的降低等煩惱更有甚者﹐還會導致銅箔接著材料的溶解﹐或已溶解油墨在槽液中的再聚結成塊體﹐進而阻塞噴嘴或幫浦的濾網等許多麻煩。

從上述討論可以明白知道﹐一價銅有68%(396/583)會氧化成為二價銅﹐如何使剩餘的一價銅全數排出才是最為重要的事但當溶液無法做到此一點時﹐則如何適量添加鹽酸和雙氧水使其變為有用的二價銅﹐則又是另一件重要的事但是原先業界所用之各種再生係統﹐例如ORP、光量計、PH計等檢測CuCl和CuCl2的比率的方式﹐因受相互濃度的影響﹐致無法得到最適當數據﹐常使得此一蝕刻的控制工作不盡完美﹐而有待改進 日本AQUA 株式會社﹐已新開發出一種AQUA CONTROLLER AFC-601再生系統﹐對溶液中各成份之濃度﹐可分別做各自的獨立分析﹐個別添加以及再生﹐將能克服理論的困難和改進機能的效用 ﹐而能達到降低成本及加強管理的目標﹐使此種直接蝕刻更具細線化、自動化、及高速化的效果槽液的管理 其原理是利用改良型極化計 ﹐以定電位之電解法測定從蝕刻液0.58M以上到飽和為此止﹐保持一定的電解電位的定電位法槽液的取樣及分析的進行﹐是將槽液以分流管方式﹐使流過取樣槽機組的設計﹐是在此取樣槽中分別裝設有五支精密的檢測器﹐以測取下列數據﹐並將下達排放或補充的指令﹐以維持槽液正常的操作1. 比重測定 - - 是利用一個敏感的微動浮球(約沉浸在液面下10mm)﹐以牽動及傳達微小的比重變化而測定之。

2. 鹽酸含量 - - 是利用磁場與鹽酸比重之間成比例的原理﹐所設計的感察器可測槽液中鹽酸的濃度﹐無電子雜訊的干擾﹐也不受灟度遺浮渣影響3. 雙氧水 - - 利用一面進行電解﹐一面測比重之方式﹐測出液中氧化劑及還原劑的含量4. 溫度 - - 利用熱電感應式(Thermistor),測出液溫5. 蝕刻速度 - - 在取樣槽中加掛一支銅棒﹐由其溶蝕消耗的快慢來測出槽液之蝕速特點˙槽液不必稀釋﹐可直接測定˙各感察器皆能立即顯示數據且極耐用˙藥液個別檢測及添加﹐節省藥液用量˙省力自動化﹐蝕刻高速化˙降低蝕刻不良率﹐減少報廢˙蝕刻變數固定﹐提高品質˙安裝簡易﹐故障少﹐維修簡單蝕刻速率及均勻性之監控一、 前言 〝蝕刻〞為影響電路板良品率的主要因素之一﹐要達到良好蝕刻的製程管制﹐必須要對此製程的個種情況徹底了解﹐尤其在線寬愈來愈細的趨勢下﹐對蝕刻工程的認知也變得更為重要﹐也才能達到日益困難之阻抗控制的需求●蝕刻速率( Etch rate )●蝕刻均勻性(Uniformity)為了達到這兩種品質的需求﹐必須要做好蝕刻液的分析及管理、溫度、噴壓﹐及輸送速度控制等參數的監控這些都是初步起碼的條件﹐但並不表示說能做好這種初步的條件﹐就能得到良好的蝕刻﹐還要進一步注意蝕刻機的設計、安裝、及機械控制部份的調整。

這些深一層因素的差異﹐並不容易直接量測得到或比較得出來﹐但卻對蝕刻的速率以及均勻性有很大的影響 本文也建議用一種蝕前蝕後線寬(Line width)的比較辦法﹐以對蝕刻工程的品質做較客觀的了解但這卻是極端耗費時間及人力﹐且不易獲得正確的資料﹐需要昂貴而精密的設備﹐這種設備又怕潮濕的環境﹐故仔細研究並不容易以內層板為試樣﹐用氯化銅當成蝕刻液﹐在裝有整套良好控制器的蝕刻機上進行現場的研究 所用的內層板量測線寬的銅皮厚度有 0.5 oz 及1.0 oz等兩種至於均勻性所採用的樣品,是2oz全片內層板直接進行蝕刻 ﹐表面不加任何阻劑﹐當其走入蝕刻機時故意將速度調快﹐令板面上的銅皮未能完全蝕光其所剩下來的殘銅厚度 ﹐就可以當成均勻性的測量之試樣﹐也就是可用渦電流(Eddy Current)的方法﹐分別測出板子兩面各定點處﹐於蝕刻前後在厚度的變化﹐再與所測得的實際線寬進行對照﹐以找出最佳的蝕刻速率二、 量測的方法 首先是量測FR-4雙面2oz銅皮蝕刻過的板子其做法先將銅面澈底進行清潔 ﹐以除去妨礙蝕刻效果的原有鉻化處理(Chromate)的防鏽層、氧化物﹐以及其他的外物污物等﹐然後再進行徹底的清洗﹐即可進行蝕刻。

用以量測銅厚的儀器是採用UPA公司的Dermitron D-3000﹐當然其他品牌的渦電流(Eddy Current)量測儀器﹐如CMI-International的EM-2000 也非常新穎好用(台灣總代理為電測企業有限公司)但其FR-4的基材部份要有足夠的厚度才行﹐以免過電流穿透板材而到達對面的銅皮﹐造成干擾而出現誤差﹐圖2即為1.5oz及0.5oz的兩種校正的銅厚數據﹐所用的儀器為D-3000其校正方法是在裸基板(40 mil)表面上加上一張已知厚度的銅皮﹐進行對儀器的校正﹐為了數據更正確起見﹐在進行對均勻性量測時﹐基材的厚度定在0.062吋﹐也就是60mil的基材再加上厚度的2oz 的銅皮﹐其做法為:●將2oz銅皮﹐62mil FR-4基材的板子裁成18吋x 24吋大小﹐在蝕刻前用D-3000分別25處定點上測出銅厚●為防止渦電流測頭(Probe)在測量時不致受到附近銅面的干擾起見﹐特將銅面全部用軟膠膜蓋住﹐只在特定待測的位置上留出一個1吋大的空洞使銅面露出﹐這種測點共有25處﹐均勻的分佈在板子兩面的全部表面上●將D-3000校正在0~4mil的範圍中﹐量完正面的25處後﹐翻轉後再量另一面25處。

●將兩面蝕刻前原始銅厚量完後﹐即按應蝕去0.5oz及1oz的“經驗速度”進行蝕銅 ﹐並注意板子走動的方向﹐各試驗板須方向一致●蝕刻及洗淨乾燥後﹐再用前述的塑膠護膜蓋在已蝕去部份銅厚的板面上﹐分別測取25處蝕後的厚度﹐但此時要重新校正待測厚度在0~2mil之間﹐以防受到背面銅皮的影響● 將各點前後兩次數據相減即可得到被蝕去的厚度﹐再進一步求出各數據的平均值﹐即可得到該板全面“蝕銅厚度”的平均值● 因水平噴灑蝕銅的上下兩面蝕速並不相同﹐故可分別求出上下兩面的“變異係數”(CV, Coefficient of Variation),其計算如下﹐也可用以表示蝕刻的均勻性(Uniformity) CV = 標準差 x 100Mean 是平均蝕銅量而用標準差百分數表示法﹐也就是說當變異係數CV愈低時﹐表示蝕銅情形愈均勻三、 蝕刻不均的原因上述方法可用於有阻劑圖形加附的線路銅面﹐及2 oz整面裸露的銅面二者之比較用首先用1oz銅皮的基板兩面各印上6mil線寬及間距的細密梳形電路﹐再進行蝕刻即得到各種不同的線寬變化﹐以此線寬變化對上述以2oz全面蝕銅所得的“結果厚度”結果做圖﹐圖4.即表示由2oz銅皮蝕去的厚度與梳形電路線寬變化二者之對應情形﹐圖中從座標上端的正值表示蝕銅尚未完全除盡(Underetching蝕銅不足)﹐負值表示過度蝕銅。

由數據的描點分佈﹐以可看出“蝕去厚度”與“線寬變化”二者之間的關聯性非常大當蝕銅深度較深時﹐則得到的線路也較寬﹐而其最佳線寬所對應的蝕銅深度約為1.4~1.5 oz﹐恰好能將1oz的銅箔蝕完注意這是由兩次不同實驗所得的對應關係﹐故顯得非常有意義 在蝕刻機做過仔細的維護﹐及各種最佳條件的小心設定後﹐再對生產線板面蝕銅均勻性進行量測﹐將可對特定的蝕刻機﹐找出其最起碼的“均勻性”現在用此種蝕銅機再回來討論62mil兩面各有2 oz銅皮﹐進行水平全面自動蝕銅的比較當板子走出來後﹐分別在正面(Top Side) 25點上測取蝕去的銅厚﹐然後再測反面(Bottom Side)的另外 25 點由圖5.的立體示意圖可看出正面的板中及板角﹐其已蝕去的厚度相差很大﹐注意此圖蝕去的厚度﹐與板面留下的銅面恰好相反故中間吃去的較少﹐所留下來的銅層將較厚﹐四角蝕掉較多﹐故板子上留下的必定較薄其板子正面的“變異係數”(CV)已接近1之大﹐但板子反面的CV卻只又3.8而已(CV小﹐表示均勻性好)。