蚀刻制程

蚀刻制程

一、前言

电路板使用铜作为导电材料，制作过程中大多采用先进电镀再蚀刻的方式使电路成型。

一般而言，可概分为减成法(subtractive process)及加成法（additive process），前者是以铜箔基板为基材经印刷或压模、曝光、显影等程序在基板上形成一线路图案再将板面上线路部分以外的铜箔蚀刻掉，最终剥除覆盖在线路上的感光性干膜阻剂或油墨，以形成电子线路的方法；而后者则采未压铜膜的基板，以化学沉铜沉积的反反复，在基板上欲形成线路的部分进行铜沉积，以形成导电线路。减成法又可细分为全板镀铜法（pannel plating）及线路镀铜法（pattern plating），另外还有上述两种制造方法折衷改良的局部加成发法（partial additive）。

目前电路板制造上还是多以减成法为主。无论哪种制造方式，蚀刻皆是其制造流程中不可或缺的一部分，尤其是减成法最为重要。

二、蚀刻液之分类与说明

蚀刻液一般可分为酸性蚀刻液与碱性蚀刻液两类，酸性蚀刻液会攻击以锡或锡铅为主的阻抗液金属阻剂层，对干膜攻击力较低；反之，碱性蚀刻液则会攻击干膜，对金属阻剂的攻击力较低，所以目前酸性及碱性蚀刻液在电路板制程上的选用大致上十分清楚；有干膜的流程，如内层蚀刻走酸性蚀刻，有金属阻剂的制程，如外层蚀刻则走碱性蚀刻。

2.1 酸性蚀刻液

酸性蚀刻液主要用在内层蚀刻以氯酸钠、氯化铜以及氯化铁为主，以下针对这几种酸性蚀刻液作介绍：

2.1.1 氯化铁蚀刻液

氯化铁蚀刻液是利用铁离子、氯离子以及铜离子作为主要蚀刻力产生源之蚀刻液。配制上时利用铁金属（来源之一为钢铁工厂制程副产品），与盐酸作用而得之氯化亚铁为主成分。由于铁离子的还原电位较铜高所以铜会被其侵蚀，被蚀刻后的铜以离子态存在于蚀刻液中又会再蚀刻铜。氯化铁蚀刻液可用于单面板及内层板之蚀刻。其蚀刻速率约（20-25μm/min），蚀刻能力约（60-80g/l）。氯化铁系统因具药水再生性，所以可以降低制程成本；其最大的问题在于制程中会在设备上以及工作场所造成不易去除且有颜色之污垢，且槽液中不纯物很多，尤其铁、铜离子同时存在，大大影响其废液之回收价值，因此在单面板和内层板之蚀刻领域中，大多被氯化铜蚀刻液取代。目前多使用于铁/镍合金蚀刻，例如导线架业，一般电路板厂较少使用。其系统可以视为氯化铁/盐酸系统：其氯化铁约占40w/w%，HCI约占5%其反应式如下：

FeCl3 +Cu0→FeCl2 +CuCl （1）

FeCl3 +CuCl →FeCl2+CuCl2(2)

CuCl2+Cu0→2CuCl (3)

见反应式（1）-（3），三价铁会将于表面接触到的铜氧化成一价铜，此一价铜之后会再被三价铁氧化成二价铜，此二价铜本身具备将铜面氧化的能力，整个过程中的金属离子仅有二价铁不具蚀刻力，因此需要将二价铁再氧化成三价铁以维持槽液的活性，详见下式（4）、（5）：4FeCl2+O2+4HCl→4FeCl3+2H2O (4)

FeCl3+H2O→Fe（OH）3+3HCl （5）

由（4）、（5）两式可知在氧气（空气）充足的情况下添加盐酸可以将二价铁氧化成三价铁，且当盐酸消耗过多时会产生氧化铁沉淀，因此控制酸含量对于氯化铁蚀刻液的系统来说十分重要，一般而言PH通常控制在0.5-1之间。

2.1.2 氯化铜蚀刻液

利用二价铜离子和氯离子为主轴的铜蚀刻液，通常由氯化铜、盐酸、氯化钠或氯化铵配成，

通常以氯酸钠或双氧水等氧化剂的系统连续再生而成，成本较氯化铁蚀刻液便宜，废液亦有回收价值。

氯化铜蚀刻液有良好的蚀刻因子，再生控制适当时，其蚀刻速率、蚀刻状态都不错。但若氯化不足，则蚀刻速率降低，且水洗会产生白色氯化亚铜沉淀；若氯化过量，则会产生游离氯气，极易侵蚀蚀刻机的金属零件。冷却时，喷嘴容易因结晶被堵塞，需常清洗。对一般金属，有腐蚀作用，故耐蚀膜也只能采用耐酸油墨或干膜，因此仅适用于单面板及内层板的蚀刻。氯化铜的使用值得注意的是残留铜面的亚铜离子，会形成氯离子之铜错盐溶解于槽液中。2.1.3 氯酸钠系统

本系统与氧化铜之系统十分相似，一样具有二价铜供给铜面的反应产生，但是其再生反应是以添加氯酸钠（NaClO3）的方式来再生，此杂声反应需要盐酸的配合，反应之副产物为盐巴，值得一提的是在Cu+不足的情况如果PH低于0.5加入氯酸钠会有下式之反应发生：

2NaClO3+4HCl →2ClO2+Cl2+2NaCl+2H2O

由上式可以知道盐酸与氯化钠直接反应会生成次氯酸和氯气；可以想象，如果槽液的状态或甚至温度改变，都有可能造成次氯酸气体和氯气的产出；其中次氯酸容易溶于水中，氯气的产出则较危险，另外氯化钠和铜离子亦会同时存在。

高浓度的氯酸钠蚀刻液必须注意安全：PH为十分重要的控制因子，简而言之，PH高时会再生反应，PH过低则会发生氯气，操作中PH控制于1.3-1.5之间，PH 3以上还会有氢氧化铜产生。先前的酸性蚀刻因为要维持高蚀刻速度的关系必须在高酸下运作（＞2.5N），因此相对之下有产生氯气的风险，目前，友缘化学所推出的新一代酸性蚀刻液可以在低酸下（1-2N）之间达到更高的产速，因此几无氯气产生的风险。

2.2碱性蚀刻液

2.2.1 碱性氯化铵之铵铜蚀刻液（即碱性氨系蚀刻液）

首先针对一般的碱性蚀刻而言作介绍：一般的碱性蚀刻液是以氯化铜、氯化铵、氯水以及界面活性剂、湿润剂和氧化抑制剂等配制而成，并额外添加辅助成分如氯化钠、碳酸铵、磷酸铵、硝酸铵、乙酸酰胺、氰氨、胺基硫酸或其他含硫化合物，以加强蚀刻液的功能性；对于线宽30μm以下的超细线路蚀刻则另外添加策蚀刻抑制剂（蚀刻速度的要求和一般蚀刻差异剖大，因此其余成分亦须调整）。碱性蚀刻液多年以来无论在使用方法、操作条件、蚀刻液性能、回收性等，一直在改良、进步中，并因此能于业界产品不断变化的情形下生存，且已取代上述几种蚀刻液而成为双面板及多层板蚀刻液的主流。

碱性是蚀刻液稳定、安全性好、蚀刻速率快（最快可达70μm/min以上）、蚀刻能量大（可达170g/l以上）、蚀刻因子佳，各种材料的有机及金属抗蚀刻膜除银外均可适用。

碱性蚀刻液可藉由自动控制器对槽液比重、PH进行监控、添加、排放，因此可以连续大量生产并维持稳定的线速。只要蚀刻液中有足够的氯和氨含量，氯化二氨亚铜随即与氧作用氧化，不会有亚铜的累积，影响蚀刻速率。须注意的是碱性氨系蚀刻液有刺鼻气味，所以必须注意通风与设备抽风。

2.2.2 碱性蚀铜液的反应机构

a.基本反应式：

2Cu+2Cu（NH3）4Cl2→4Cu（NH3）2Cl（亚铜错合物）

b.再生反应之反应式：

4Cu（NH3）2+2NH4Cl+2NH4OH+O2→4Cu（NH3）4Cl2+2H2O

c.总反应式：

合并a.b两反应式

a反应式之中间态亚铜离子之溶解度很差，是一种污泥状的沉淀物，若未迅速除掉时，会在板面上形成蚀铜的障碍，因而造成板面或孔壁的污染，必须辅助以氨水、氯离子及空气中大