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35m(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) 2HClH2Cu2Cl4 (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04mil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02mil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1.41.5 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)其上下之兩全面均勻性相差如此懸殊推究其原因應為: 板子上面的蝕刻因受到水池效應(Puddling Effect或水膜效應)的影響使得廢液在表面上積存而不易排走令後來噴濕的新液無法直接打在待蝕的銅面上。 由於蝕銅作用是由銅金屬變成銅離子而得以流走是屬於一種氧化作用。板子上面局部被廢液層所阻礙因而大大減少了氧氣協助進行的氧化作用但已鑽孔的外層板因藥水會從孔中流下其情況會稍好一些。 反面則因蝕刻液是由下向上噴完全沒有水池效應故板中到板角的蝕刻均勻性非常良好。由於水平蝕刻有上述水池效應的煩惱造成蝕刻均勻性的不好因而想到若改成垂直兩面噴蝕是否會好一些呢?事實上垂直蝕銅時其液膜會在板子的下端逐漸變厚也同樣出現水膜效應使得板子愈往上部其蝕刻速率愈快愈往下部則愈慢為了加強下半部的蝕銅速率起見還需多加幾組噴嘴以解決上下不均的問題。不過垂直蝕銅的左右前後兩面的平均蝕刻速率卻非常均勻故知如能消除水膜效應增加蝕刻液對蝕銅的質量傳輸(Mass Transfer)對於蝕刻的均勻性將有很大的影響其中影響水膜厚度的機械因素有: 蝕刻液的噴壓。 整排噴嘴往復移動(Oscillation)的速率。 水平輸送的滾輪與噴嘴等排列情形。 噴壓及噴嘴以及噴管中流量的調整。在逐一實驗找出各種最佳作業條件後並將蝕刻機加以調整到最佳情況於是再進行前述的2oz板面蝕銅及6mil的線路蝕銅。如圖6.所示發現板子上面的CV值已有50%的大幅度改進。當板子單面及雙面的蝕刻均勻性調到最佳情況後就可分別調整上下噴嘴中的壓力使能達到的蝕速也就是說應先調整蝕刻均勻性然後才能調整蝕刻速率。四、 製程管制利用上述對蝕刻最佳化的技術去設計實驗計劃以找出最佳作業條件的配合而得到最佳的蝕刻品質。為達此目的現場立即執行的統計製程管制(SPC),又成了不可缺的工具也就是可將蝕刻均勻性當成SPC實際管理項目並將2oz銅厚實驗板在蝕刻前後的D 3000數據納入電腦使能自動量測出上下兩面的25處並自動算出平均值(Mean)及變異係數(CV)兩重要品質重點。下表1即為其均勻性試驗的數據列表實例以及實驗板上下兩面的CV及Mean分別畫成管制圖為了能確實掌握品質生產線對每部蝕刻機每班次都要作圖圖7.即為板子上面CV值管制圖的實例一旦發現數據出現異常時生產線即應停機並立即採取改善行動。 而一般直覺的目視檢查也非常有用可讓作業員立即察覺到板子蝕刻品質的不良這種突如其來較明顯的缺陷可能出自下列機器上的毛病並應立即