堿性蝕刻線路鋸齒狀現(xiàn)象分析與改善

葉堉楠 宋偉濤 陳斐健 張輝已

（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514768）

0 前言

線路鋸齒狀，有時又叫“狗牙”，是指在線路板生產(chǎn)過程中，線路蝕刻完成后，線路的兩側(cè)邊緣不平直，或凸出或凹進(jìn)，成鋸齒狀或狗牙狀[1]。

PCB板按用途可大分為訊號板及電流板，現(xiàn)如今前者已占總量的60%左右。線路狗牙缺陷會對信號的傳輸造成干擾，特別是高頻高速訊號的傳輸損耗將增大，從而影響其準(zhǔn)確性。

由于生產(chǎn)需要，公司新引進(jìn)一條圖電VCP（垂直連續(xù)電鍍線）線和堿性蝕刻線，在初期生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)堿性蝕刻后線路兩側(cè)邊緣呈現(xiàn)鋸齒狀，BGA（球柵陣列）變形且部分區(qū)域凸出，特別是對于線寬線距較小的板件尤為嚴(yán)重。針對此類問題，從線路、電鍍、蝕刻工序關(guān)鍵因素進(jìn)行分析并進(jìn)行交叉對比試驗，徹底改善線路狗牙問題。

1 造成線路狗牙的因素

線路狗牙原因綜合分析（如圖1）。

1.1 線路方面

線路前處理磨板效果較差，干膜與基板結(jié)合力不好；曝光能量不足、貼膜速度過慢、顯影不良，均可能造成干膜無法與基銅結(jié)合緊實，尤其在板的基銅表面樹脂纖維紡織的紋路較深處，會使干膜與基銅表面有些小間隙。在鍍錫時易造成滲鍍，錫層延伸在干膜之下形成保護(hù)層，在蝕刻后形成不規(guī)則線路。

圖1 線路狗牙魚骨圖分析

1.2 圖電方面

電鍍過程中除油缸藥水、錫缸光劑對干膜的攻擊作用導(dǎo)致干膜松動。另一方面，圖電VCP鍍銅鍍錫缸均采用噴流方式，噴流壓力過大也會導(dǎo)致干膜松動。

1.3 蝕刻方面

蝕刻主要為退膜蝕刻流程，由于藥水濃度異?；蚓€速過快導(dǎo)致退膜不凈，殘膜聚集在線路底部，蝕刻后造成線路鋸齒狀。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗方案一

從板件實際線路形狀分析，可以看到主要是線路突起造成鋸齒狀，BGA區(qū)域呈水滴狀，初步分析干膜與基板結(jié)合不好導(dǎo)致，首先從線路制作流程入手，探究不同處理方式及制作參數(shù)對線路狗牙的影響程度（如圖2）。

試驗計劃主要由線路前處理方式、曝光能量、貼膜速度等方面進(jìn)行正交試驗（DOE），試板蝕刻后進(jìn)行AOI（自動光學(xué)檢測）全檢，統(tǒng)計線路狗牙不良率。線路狗牙嚴(yán)重程度根據(jù)AOI掃描報點數(shù)目及板面線路突起凹陷程度進(jìn)行分級，以便更好分析產(chǎn)生的原因，試驗結(jié)果（見表1）。

圖2 線路或焊盤鋸齒狀

從上述試驗我們可以看到無論采用哪種方式，線路狗牙依然存在，不過從板件分析發(fā)現(xiàn)過中粗化磨板機試板線路狗牙嚴(yán)重程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過針?biāo)⒛グ鍣C試板，部分線路已經(jīng)短路連在一起（如圖2）。這說明經(jīng)過中粗化磨板機處理后，干膜結(jié)合力較差，圖電時易造成滲鍍，而導(dǎo)致線路狗牙，這只是其中一方面影響因素，但不是最主要因素，線路狗牙嚴(yán)重程度依然較大。下一步對圖形電鍍進(jìn)行相關(guān)測試，線路前處理采用過針?biāo)⒛グ鍣C處理（如圖3）。

2.2 試驗方案二

通過對不同實物板件的分析，我們還可以發(fā)現(xiàn)對于線寬線距較小板件其線路狗牙嚴(yán)重程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線寬線距較大板件，在干膜覆蓋較大的區(qū)域四周邊緣線路狗牙很輕微，進(jìn)一步推論干膜在圖電過程中由于某些因素造成了松動。

所用圖電VCP采用側(cè)面噴流的攪拌方式，這種方式在促進(jìn)孔內(nèi)鍍液流動方面較底面噴流更為有效，噴流液體流速增大，在噴嘴數(shù)目不變的條件下對應(yīng)循環(huán)流量加大，達(dá)到更好的電鍍效果[2]。隨著噴流壓力增大，液體流速增大對板面干膜的沖擊變大，很可能造成干膜松動在鍍銅鍍錫過程中滲鍍。取試板線路前處理采用針?biāo)⒛グ逄幚矸绞剑瑘D電時選擇不同噴流頻率進(jìn)行對比試驗，測試結(jié)果（見表2）。

表1 DOE試驗設(shè)計

圖3 蝕刻后線路鋸齒表現(xiàn)

通過調(diào)整噴淋頻率，線路狗牙得到有效改善，此前基于深鍍能力考慮，針對不同板厚板件設(shè)定不同噴流頻率，由上述試驗可以看到噴流壓力增大，對于板件表面沖擊會導(dǎo)致干膜松動，對于圖電生產(chǎn)應(yīng)降低噴流頻率，以30 Hz為佳，頻率過低會造成藥水交換不足導(dǎo)致燒板。降低噴流頻率的同時，電流密度進(jìn)一步降低，延長鍍銅時間以維持良好的鍍銅效果。

2.3 問題再分析

由上述試驗可以確定造成線路狗牙的主要因素在于圖電噴流頻率過大造成干膜松動從而滲鍍。但是仍然沒有完全消除線路狗牙現(xiàn)象，從狗牙形狀來看，還剩下凹陷型的線路狗牙有待解決，此類現(xiàn)象較少，排除是干膜松動引起的。初步分析是由于錫面偏薄或在退膜段錫面受到攻擊失去對線路的保護(hù)作用，線路在蝕刻過程中被藥水咬蝕導(dǎo)致（如圖4）。

2.4 試驗方案三

電鍍液一方面必須添加有機添加劑，以增強鍍層結(jié)晶細(xì)致；提高電鍍液均鍍能力；另一方面，有機物過多，易產(chǎn)生沉淀，電鍍液受到污染，使鍍層結(jié)晶粗糙、發(fā)脆，產(chǎn)生條紋和針孔[3]，這種情況會導(dǎo)致錫層不夠致密而被蝕刻藥水腐蝕。堿性蝕刻去膜槽堿溶液濃度異常，配槽比例過高也可能使錫面被腐蝕。一般來說，鍍錫厚度在5～10 μm便有較強的抗蝕作用，對錫層厚度進(jìn)行測試，結(jié)果顯示錫層厚6～8 μm?；诂F(xiàn)實情況分析，對比不同錫光劑以及蝕刻退膜濃度的對線路凹陷型狗牙的影響。取相同數(shù)量的試板外發(fā)A廠進(jìn)行圖電，A廠所用光劑為A光劑，本廠所用光劑為B光劑，新開退膜液濃度分別為20%和15%進(jìn)行測試。測試結(jié)果（見表3）。

從測試結(jié)果來看，線路凹陷型狗牙主要是由于退膜液開槽配比過高，對錫的攻擊較大，錫面部分腐蝕失去保護(hù)作用，線路被咬蝕形成凹坑。

表2 圖電噴流頻率對線路狗牙的影響

圖4 蝕刻后線路鋸齒表現(xiàn)

3 改善措施和效果驗證

3.1 改善措施

從上述實驗結(jié)果分析，影響線路狗牙的因素主要有三個方面，針對這些影響采取相應(yīng)的改善措合本次試驗過程，可以看到圖電噴流大小對于干膜的影響尤為重要，過大的噴流頻率造成干膜松動，進(jìn)而導(dǎo)致滲鍍，當(dāng)然，過度的降低則會造成藥水交換困難導(dǎo)致銅層結(jié)晶顆粒大，致密性差，因此，圖形電鍍過程應(yīng)將噴流頻率控制在合理范圍，減少其對干膜的影響。

圖電板線路狗牙為PCB比較常見的缺陷，其產(chǎn)生原因是多方面的，也可能是多種情況共同存在。需從生產(chǎn)流程出發(fā)，探究每個過程中可能影響的因素，必要時進(jìn)行DOE試驗，通過排除與對比尋找真正產(chǎn)生的原因。經(jīng)過這次試驗，發(fā)現(xiàn)電鍍缸側(cè)噴流設(shè)計雖然可以有效提高藥水交換速度，提高深鍍施：（1）生產(chǎn)圖電板件時線路前處理采用針?biāo)⒛グ鍣C進(jìn)行處理，增加干膜與銅面結(jié)合力；（2）通知圖電線設(shè)備供應(yīng)商設(shè)置兩組不同的噴淋頻率滿足生產(chǎn)負(fù)片和正片時的不同需要，生產(chǎn)正片時對應(yīng)噴頻率設(shè)置為30 Hz，減少噴淋壓力過大造成干膜松動；（3）降低退膜液濃度，防止錫面被腐蝕。

表3 對比試驗

3.2 效果驗證

為驗證上述實驗結(jié)果以及改善措施的可行性，對改善后圖電板件線路狗牙狀況進(jìn)行追蹤確認(rèn)，統(tǒng)計一段時間多個生產(chǎn)料號狗牙不良率，對比未調(diào)整前板件狗牙不良率。以上改善線路狗牙現(xiàn)象效果非常明顯，后續(xù)不良率已降至為零（如圖5）。

4 結(jié)論

圖5 線路鋸齒改善前后良率對比

通過采用針?biāo)⒛グ鍣C進(jìn)行處理，降低圖電噴流頻率，降低退膜液濃度，有效改善線路狗牙問題，后續(xù)板件生產(chǎn)過程中未再發(fā)現(xiàn)此類現(xiàn)象。結(jié)能力，在正片板的生產(chǎn)過程中影響干膜的結(jié)合力。對于圖電VCP的銅缸設(shè)計建議噴流壓力設(shè)置無需過大，可更改為底部打氣設(shè)計，以減少對于干膜的影響。另一方面，對于線路前中粗化處理導(dǎo)致的干膜結(jié)合力差需進(jìn)一步測試研究。