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+2H2Oc.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、氯离子及空气中大量的氧，使其继续氧化成可溶性的二价铜离子，而又再成为蚀铜的氧化剂，周而复始的继续蚀铜，直到铜量太多而减慢为止。

2.2.3碱性蚀刻液特性说明a. 氨铜系统说明：碱性蚀刻液特定的控制范围内铜含量越高（比重越大）或PH愈低则侧蚀性愈小，蚀铜时药液和铜面产生溶解度小的保护膜Cu（NH3）2+,此种保护膜物理性质弱，在喷压的作用下侧面保护膜的维持度比垂直蚀铜好，因此在游离铵离子减弱时，则有降低侧蚀功用，PH高意味着游离铵离子多，此时保护膜则容易化成溶解度大的Cu（NH3）42+离子而离开铜面，因此在PH高或低含铜量蚀刻时，往往造成过蚀现象。

b.侧蚀抑制剂添加侧蚀抑制剂，能够在铜侧面维持一定的保护膜，此种溶解度低的保护膜在压力悬殊时形成很大的差别，压力大时容易断裂，侧蚀压力小于一定值时不易断裂，由于喷压在侧边较低所以抑制剂可以维持较久的时间并保护侧边的铜不被蚀刻液攻击因此侧蚀可减少20-30%，侧蚀抑制剂对细线路蚀刻的线路品质尤其重要。

c.碱性蚀刻之操作与特性（1）抽风：以喷洒室内质空气呈负压为原则，使空气能与药液充分混合，并提供充足的氧气以满足完成反应之所需。

（2）喷嘴：喷嘴依照喷出之形状可分类为扇形，实锥形、空锥形，一般理想的设计是上喷嘴呈锥形下喷嘴呈扇形，不过近来实测发现对于超细线路上下皆扇形有较佳的蚀刻均匀度，另外值得一提的是后蚀刻（post etch）对于蚀刻均匀度有很大的影响。

（3）摆动：摆动有定点摇摆式，来回摇摆式。

（最佳组合需经实测才能找出最佳条件）。

（4）喷管：喷管与前进方向呈顺置、横置、斜置配置。

（5）温度：在可作业情形下，越低越好。

（6）压力：针对一般电路板喷压以1.2-1.5Kg/cm2就大致足够，太高易打断保护膜，不过对于超细线路而言，其喷压以1.6Kg/cm2较适合，上述所提供的喷压与设备帮浦到喷嘴的设计有关，因此需要依照设备状况调整而非绝对值；板子上面会有积水而有水池效应，所以上压要比下压稍高，因难度较高之线路面宜朝下，且线路顺走之侧蚀大于横走之方向（喷嘴定点摇摆式）。

（7）蚀刻速度与设备之线速度：通常设定在蚀刻槽3/4距离处蚀刻完成，以有效长度1.0m 为例，一般电路板的蚀刻速度大约设定在60-80μm/min，针对超细线路而言是蚀刻速度大约设定在20-30μm/min，而线速会影响电路板与蚀刻药水中的滞留时间。

（8）化学性：PH低，铜含量高，氯离子低，护岸剂多对侧蚀有改善。

（9）抗蚀性：对碱性蚀刻而言抗蚀性关系为：Sn＞Sn/Pb＞Ni＞Au＞Ink＞Dryfilm按上列顺序，所以镀金板及干膜在蚀刻时，必须控制PH值及Cl-值以免被攻击。

（10）添加剂：常用高分子型或含氮型之界面活性剂当润湿剂（或并用）a.使用强有力的含硫、含氮护岸剂b.使用亚铜错合剂或有机物能与亚铜错盐产生加成衍生物者，达到改变蚀铜速度与护岸之效果。

c.有效的PH缓术剂，稳定PH及控制储存时NH3挥发。

（11）铜皮结构与厚度：etching是蚀去一次铜与底铜，可见80%之蚀刻表现取决于基材铜箔，因此使用薄铜箔或铜箔结晶细致及一次铜厚度均匀者，可得到较佳的侧蚀因子。

2.3 其他蚀刻液2.3.1硫酸---双氧水系列对金属铜而言，双氧水是一种极佳的蚀刻药液，但由于其本身的性质不够安定，容易分解而影响蚀刻的效果，所以一般均与硫酸并用，并在其中加入适量的安定剂与促进剂，以维持并提升蚀刻液的性能。

硫酸—双氧水法因为以下数点特色而被国外电路板业者采用：a.无刺激性的氨味b，无铜错合剂 c.无铵离子 d.回收容易 e.废水处理容易但此蚀刻液最大的问题就是双氧水的安定问题，尤其在开始蚀刻之后双氧水的铜离子开始增加，双氧水的分解速度是会大幅提升，其次是蚀铜量偏低。

因为使用双氧水为氧化剂，成本自然也偏高，目前在台湾大多只用于除铜面之氧化物而已。