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選用PCB油墨的基礎知識
2011-2-26 18:04:47

PCB制造工藝(Technology)中,無論是單、雙面板及多層板(MLB),最基本、最關鍵的工序之一是圖形轉移,即將照相底版(Art-work)圖形轉移到敷銅箔基材上。圖形轉移是生產中的關鍵控制點,也是技術難點所在。其工藝方法有很多,如絲網印刷(Screen Printing)圖形轉移工藝、干膜(Dry Film)圖形轉移工藝、液態光致抗蝕劑(Liquid Photoresist)圖形轉移工藝、電沉積光致抗蝕劑(ED膜)制作工藝以及激光直接成像技術(Laser Drect Image)。當今能取而代之干膜圖形轉移工藝的首推液態光致抗蝕劑圖形轉移工藝,該工藝以膜薄,分辨率(Resolution)高,成本低,操作條件要求低等優勢得到廣泛應用。本文就PCB圖形轉移中液態光致抗蝕劑及其制作工藝進行淺析。

 

    液態感光油墨應用工藝流程圖:

  基板的表面處理——>涂布(絲?。?gt;預烘——>曝光——>顯影——>干燥——>檢查——>蝕刻——>褪膜——>檢查(備注:內層板)

    基板的表面處理——>涂布(絲?。?gt;預烘——>曝光——>顯影——>干燥——>檢查——>電鍍——>褪膜——>蝕刻——>檢查(備注:外層板)

 

    一.液態光致抗蝕劑(Liquid Photoresist)

 

    液態光致抗蝕劑(簡稱濕膜)是由感光性樹脂,配合感光劑、色料、填料及溶劑等制成,經光照射后產生光聚合反應而得到圖形,屬負性感光聚合型。與傳統抗蝕油墨及干膜相比具有如下特點:

 

    1.不需要制絲網模版。采用底片接觸曝光成像(Contact Printig),可避免網印所帶來的滲透、污點、陰影、圖像失真等缺陷。解像度(Resolution)大大提高,傳統油墨解像度為200um,濕膜可達40um。

 

    2.由于是光固化反應結膜,其膜的密貼性、結合性、抗蝕能力(Etch Resistance)及其抗電鍍能力比傳統油墨好。

 

    3.濕膜涂布方式靈活、多樣,工藝操作性強,易于掌握。

 

    4.與干膜相比,液態濕膜與基板密貼性好,可填充銅箔表面輕微的凹坑、劃痕等缺陷。再則濕膜薄可達5~10um,只有干膜的1/3左右,而且濕膜上層沒有覆蓋膜(在干膜上層覆蓋有約為25um厚的聚酯蓋膜),故其圖形的解像度、清晰度高。如:在曝光時間為4S/7K時,干膜的解像度為75um,而濕膜可達到40um。從而保證了產品質量。

 

    5.以前使用干膜常出現的起翹、電鍍滲鍍、線路不整齊等問題。濕膜是液態膜,不起翹、滲鍍、線路整齊,涂覆工序到顯形工序允許擱置時間可達48hr,解決了生產工序之間的關聯矛盾,提高了生產效率。

 

    6.對于當今日益推廣的化學鍍鎳金工藝,一般干膜不耐鍍金液,而濕膜耐鍍金液。

 

7.由于是液態濕膜,可撓性強,尤其適用于撓性板(Flexible Printed Board)制作。

 

    8.濕膜由于本身厚度減薄而物d料成本降低,且與干膜相比,不需要載體聚酯蓋膜(Polyester Coversheet)和起?;ぷ饔玫木垡蟻└裟ぃ≒olyettylene Separator Sheet),而且沒有象干膜裁剪時那樣大的浪費,不需要處理后續廢棄薄膜因此,使用濕膜大約可以節約成本每平方米30~50%。

 

    9.濕膜屬單液油墨容易存貯保管,一般放置溫度為20±2℃,相對濕度為55±5%,陰涼處密封保存,貯存期(Storage Life):4~6個月。

 

    10.使用范圍廣,可用作MLB內層線路圖形制作及孔化板耐電鍍圖形制作,也可與堵孔工藝結合作為掩孔蝕刻圖形抗蝕劑,還可用于圖形模板的制作等。

 

    但是,濕膜厚度(Thickness)均勻性不及干膜,涂覆之后的烘干程度也不易掌握好增加了曝光困難.故操作時務必仔細。另外,濕膜中的助劑、溶劑、引發劑等的揮發,對環境造成污染,尤其是對操作者有一定傷害。因此,工作場地必須通風良好。

 

    目前,使用的液態光致抗蝕劑,外觀呈粘稠狀,顏色多為藍色(Blue)。如:臺灣精化公司產GSP1550、臺灣緹穎公司產APR-700等,此類皆屬于單液油墨,可用簡單的網印方式涂覆,用稀堿水顯影,用酸性或弱堿性蝕刻液蝕刻。液態光致抗蝕劑的使用壽命(Lifespan):其使用壽命與操作環境和時間有關。一般溫度≤25℃,相對濕度≤60%,無塵室黃光下操作,使用壽命為3天,最好24hr內使用完。

 

二.液態光致抗蝕劑圖形轉移

 

    液態光致抗蝕劑工藝流程:

 

    上道工序→前處理→涂覆→預烘→定位→曝光→顯影→干燥→檢查修版→蝕刻或電鍍→去膜→交下工序

 

    1.前處理(Pre-cleaning)

 

    前處理的主要目的是去除銅表面的油脂(Grease)、氧化層(Oxidized Layer)、灰塵(Dust)和顆粒(Particle)殘留、水分(Moisture)和化學物質(Chemicals)特別是堿性物質(Alkaline)保證銅(Copper)表面清潔度和粗糙度,制造均勻合適的銅表面,提高感光膠與銅箔的結合力,濕膜與干膜要求有所不同,它更側重于清潔度。

 

    前處理的方法有:機械研磨法、化學前處理法及兩者相結合之方法。

 

    1)機械研磨法

 

    磨板條件:

 

    浸酸時間:6~8s。

 

    H2SO4:2.5%。

 

    水洗:5s~8s。

 

    尼龍刷(Nylon Brush):500~800目,大部分采用600目。

 

    磨板速度:1.2~1.5m/min,間隔3~5cm。

 

    水壓:2~3kg/cm2。

 

 嚴格控制工藝參數,保證板面烘干效果,從而使磨出的板面無雜質、膠跡及氧化現象。磨完板后最好進行防氧化處理。

 

    2)化學前處理法

 

    對于MLB內層板(Inner Layer Board),因基材較薄,不宜采用機械研磨法而常采用化學前處理法。

 

    典型的化學前處理工藝:去油→清洗→微蝕→清洗→烘干

 

    去油:

 

    Na3PO4 40~60g/l

 

    Na2CO3 40~60g/l

 

    NaOH   10~20g/l

 

    溫度:40~60℃

 

    微蝕(Mi-croetehing):

 

    NaS2O8 170~200g/l

 

    H2SO4 (98%)2% V/V

 

    溫度:20~40℃

 

    經過化學處理的銅表面應為粉紅色。無論采用機械研磨法還是化學前處理法,處理后都應立即烘干。

 

    檢查方法:采用水膜試驗,水膜破裂試驗的原理是基于液相與液相或者液相與固相之間的界面化學作用。若能保持水膜15~30s不破裂即為清潔干凈。

 

    注意:清潔處理后的板子應戴潔凈手套拿放,并立即涂覆感光膠,以防銅表面再氧化。

 

    2.涂覆(Coating)

 

    涂覆指使銅表面均勻覆蓋一層液態光致抗蝕劑。其方法有多種,如離心涂覆、浸涂、網印、簾幕涂覆、滾涂等。

 

    絲網印刷是目前常用的一種涂覆方式,其設備要求低,操作簡單容易,成本低。但不易雙面同時涂覆,生產效率低,膜的均勻一致性不能完全保證。一般網印時,滿版印刷采用100~300目絲網抗電鍍的采用150目絲網。此法受到多數中小廠家的歡迎。

 

    滾涂可以實現雙面同時涂覆,自動化生產效率高,可以控制涂層厚度,適用于各種規格板的大規模生產,但需設備投資。

 

    簾幕涂覆也適宜大規模生產,也能均勻控制涂覆層厚度,但設備要求高,且只能涂完一面后再涂另一面,影響生產效率。

 

    光致涂覆層膜太厚,容易產生曝光不足,顯影不足,感壓性高,易粘底片;膜太薄,容易產生曝光過度,抗電鍍絕緣性差及易產生電鍍金屬上膜的現象,而且去膜速度慢。

 

    工作條件:無塵室黃光下操作,室溫為23~25℃,相對濕度為55±5%,作業場所保持潔凈,避免陽光及日光燈直射。

 

    涂覆操作時應注意以下幾方面:

 

   (1)若涂覆層有針孔,可能是光致抗蝕劑有不明物,應用丙酮洗凈且更換新的抗蝕劑。

 

也可能是空氣中有微粒落在板面上或其他原因造成板面不干凈,應在涂膜前仔細檢查并清潔。

 

   (2)網印時若光致涂覆層膜太厚,是因為絲網目數太??;膜太薄,那可能是絲網目數太大所致。若涂覆層厚度不均勻,應加稀釋劑調整抗蝕劑的粘度或調整涂覆的速度。

 

   (3)涂膜時盡量防止油墨進孔。

 

   (4)無論采用何種方式,光致涂覆層(Photo imageable cover coating)都應達到厚度均勻、無針孔、氣泡、夾雜物等,皮膜厚度干燥后應達到8~15um。

 

   (5)因液態光致抗蝕劑含有溶劑,作業場所必須換氣良好。

 

   (6)工作完后用肥皂洗凈手。

 

3.預烘(Pre-curing)

 

    預烘是指通過加溫干燥使液態光致抗蝕劑膜面達到干燥,以方便底片接觸曝光顯影制作出圖形。此工序大都與涂覆工序同一室操作。預烘的方式最常用的有烘道和烘箱兩種。

 

    一般采用烘箱干燥,雙面的第一面預烘溫度為80±5℃,10~15分鐘;第二面預烘溫度為80±5℃,15~20分鐘。這種一先一后預烘,使兩面濕膜預固化程度存在差異,顯影的效果也難保證完全一致。理想的是雙面同時涂覆,同時預烘,溫度80±5℃,時間約20~30分鐘。這樣雙面同時預固化而且能保證雙面顯影效果一致,且節約工時。

 

    控制好預烘的溫度(Temperature)和時間(Time)很重要。溫度過高或時間過長,顯影困難,不易去膜;若溫度過低或時間過短,干燥不完全,皮膜有感壓性,易粘底片而致曝光不良,且易損壞底片。所以,預烘恰當,顯影和去膜較快,圖形質量好。

 

    該工序操作應注意:

 

   (1)預烘后,板子應經風冷或自然冷卻后再進行底片對位曝光。

 

   (2)不要使用自然干燥,且干燥必須完全,否則易粘底片而致曝光不良。預烘后感光膜皮膜硬度應為HB~1H。

 

   (3)若采用烘箱,一定要帶有鼓風和恒溫控制,以使預烘溫度均勻。而且烘箱應清潔,無雜質,以免掉落在板上,損傷膜面。

 

   (4)預烘后,涂膜到顯影擱置時間最多不超過48hr,濕度大時盡量在12hr內曝光顯影。

 

   (5)對于液態光致抗蝕劑型號不同要求也不同,應仔細閱讀說明書,并根據生產實踐調整工藝參數,如厚度、溫度、時間等。

 

   4.定位(Fixed Postion)

 

    隨著高密度互連技術(HDI)應用不斷擴大,分辨率和定位度已成為PCB制造廠家面臨的重大挑戰。電路密度越高,要求定位越精確。定位的方法有目視定位、活動銷釘定位,固定銷釘定位等多種方法。

 

    目視定位是用重氮片(Diazofilm)透過圖形與印制板孔重合對位,然后貼上粘膠帶曝光。重氮片呈棕色或桔紅色半透明狀態,可以保證較好的重合對位精度。銀鹽片(Silver Film)也可采用此法,但必須在底片制作透明定位盤才能定位。

 

    活動銷釘定位系統包括照相軟片沖孔器和雙圓孔脫銷定位器,其方法是:先將正面,反面兩張底版藥膜相對對準,用軟片沖孔器在有效圖形外任意沖兩個定位孔,任取一張去編鉆孔程序,就可以利用鉆床一次性鉆孔,印制板金屬化孔及預鍍銅后,便可用雙圓孔脫銷定位器定位曝光。

 

    固定銷釘定位分兩套系統,一套固定照相底版,另一套固定PCB,通過調整兩銷釘的位置,實現照相底版與PCB的重合對準。

 

    5.曝光(Exposuring)

 

    液態光致抗蝕劑經UV光(300~400nm)照射后發生交聯聚合反應,受光照部分成膜硬化而不被顯影液所影響。通常選用的曝光燈燈源為高亮度、中壓型汞燈或者金屬鹵化物汞燈。燈管6000W,

曝光量100~300mj/cm2,密度測定采用21級光密度表(Stouffer21),以確定最佳曝光參數,通常為6~8級。液態光致抗蝕劑對曝光采用平行光要求不嚴格,但其感光速度不及干膜,因此應使用高效率曝光機(Drawer)。光聚合反應取決于燈的光強和曝光時間,燈的光強與激發電壓有關,與燈管使用時間有關。因此,為保證光聚合反應足夠的光能量,必須由光能量積分儀來控制,其作用原理是保證曝光過程中燈光強度發生變化時,能自動調整曝光時間來維持總曝光能量不變,曝光時間為25~50秒。

 

    影響曝光時間的因素:

 

   (1)燈光的距離越近,曝光時間越短;

 

   (2)液態光致抗蝕劑厚度越厚,曝光時間越長;

 

   (3)空氣濕度越大,曝光時間越長;

 

   (4)預烘溫度越高,曝光時間越短。

 

    當曝光過度時,易形成散光折射,線寬減小,顯影困難。當曝光不足時,顯影易出現針孔、發毛、脫落等缺陷,抗蝕性和抗電鍍性下降。因此選擇最佳曝光參數是控制顯影效果的重要條件。

 

底片質量的好壞,直接影響曝光質量,因此,底片圖形線路清晰,不能有任何發暈、虛邊等現象,要求無針孔、沙眼,穩定性好。底片要求黑白反差大:銀鹽片光密度(Density)DMAX≥3.5,DMIN≤0.15;重氮片光密度DMAX≥1.2,DMIN≤0.1。

 

    一般來說,底片制作完后,從一個工序(工廠)傳送到另一個工序(工廠),或存貯一段時間,才進入黃光室,這樣經歷不同的環境,底片尺寸穩定性難以保證。本人認為制完底片應直接進入黃光室,每張底片制作80多塊板,便應廢棄。這樣可避免圖形的微變形,尤其是微孔技術更應重視這一點。

 

    曝光工序操作注意事項:

 

   (1)曝光機抽真空曬匣必不可少,真空度≥90%,只通過抽真空將底片與工件緊密貼合,才能保證圖像無畸變,以提高精度。

 

   (2)曝光操作時,若出現粘生產底片,可能是預烘不夠或者曬匣真空太強等原因造成,應及時調整預烘溫度和時間或者檢查曬匣抽真空情況。

 

   (3)曝光停止后,應立即取出板件,否則,燈內余光會造成顯影后有余膠。

 

   (4)工作條件必須達到:無塵黃光操作室,清潔度為10000~100000級,有空調設施。曝光機應具有冷卻排風系統。

 

   (5)曝光時底片藥膜面務必朝下,使其緊貼感光膜面,以提高解像力。

 

    6.顯影(Developing)

 

    顯影即去掉(溶解掉)未感光的非圖形部分濕膜,留下已感光硬化的圖形部分。其方法一般有手工顯影和機器噴淋顯影。

 

    該工序工作條件同涂覆工序。

 

    機器顯影配方及工藝規范

 

    Na2CO3  0.8~1.2%

 

    消泡劑   0.1%

 

    溫度     30±2℃

 

    顯影時間 40±10秒

 

    噴淋壓力 1.5~3kg/cm2

 

操作時顯像點(Breok Point Control)控制在1/3~1/2處。為保證顯影質量,必須控制顯影液濃度、溫度以及顯影時間在適當的操作范圍內。溫度太高(35℃以上)或顯影時間太長(超過90秒以上),會造成皮膜質量、硬度和耐化學腐蝕性降低。

 

    顯影后有余膠產生,大多與工藝參數有關,主要有以下幾種可能:

 

    ①顯影溫度不夠;

 

    ②Na2CO3 濃度偏低;

 

    ③噴淋壓力??;

 

    ④傳送速度較快,顯影不徹底;

 

    ⑤曝光過度;

 

    ⑥疊板。

 

    該工序操作注意事項:

 

   (1)若生產中發現有濕膜進入孔內,需要將噴射壓力調高和延長顯影時間。顯影后應認真檢查孔內是否干凈,若有殘膠應返工重顯。

 

   (2)顯影液使用一段時間后,能力下降,應更換新液。實驗證明,當顯影液PH值降至10.2時,顯影液已失去活性,為保證圖像質量,PH=10.5時的制版量定為換缸時間。

 

   (3)顯影后應充分洗凈,以免堿液帶入蝕刻液中。

 

   (4)若產生開路、短路、露銅等現象,其原因一般是底片上有損傷或雜物。

 

    7.干燥

 

    為使膜層具有優良的抗蝕抗電鍍能力,顯影后應再干燥,其條件為溫度100℃,時間1~2分鐘。固化后膜層硬度應達到2H~3H。

 

    8.檢查修版

 

    修版實際上是進行自檢,其目的主要是:修補圖形線路上的缺陷部分,去除與圖形要求無關的部分,即去除多余的如毛刺、膠點等,補上缺少的如針孔、缺口、斷線等。一般原則是先刮后補,這樣容易保證修版質量。

 

    常用修版液有蟲膠、瀝青、耐酸油墨等,比較簡便的是蟲膠液,其配方如下:

 

    蟲膠100~150g/l

 

    甲基紫1~2g/l

 

    無水乙醇適量

 

    修版要求:圖形正確,對位準確,精度符合工藝要求;導電圖形邊緣整齊光滑,無殘膠、油污、指紋、針孔、缺口及其它雜質,孔壁無殘膜及異物;90%的修版工作量都是由于曝光工具不干凈所造成,故操作時應經常檢查底片,并用酒精清洗曬匣和底片,以減少修版量。修版時應注意戴細紗手套,以防手汗污染版面。若頭兩道工序做得相當好,幾乎無修版量,可省掉修版工序。

 

    9.去膜(Strip)

 

    蝕刻(Etching)或電鍍(Plating)完畢,必須去除抗蝕?;つ?,通常去膜采用4~8%的NaOH水溶液,加熱膨脹剝離分化而達到目的。方法有手工去膜和機器噴淋去膜。

 

    采用噴淋去膜機,其噴射壓力為2~3kg/cm2,去膜質量好,去除干凈徹底,生產效率高。提高溫度可增加去膜速度,但溫度過高,易產生黑孔現象,故溫度一般宜采用50~60℃。

 

 去膜后務必清潔干凈,若去膜后表面有余膠,其原因主要是烘烤工序的工藝參數不正確,一般是烘烤過度。

 

以上討論,部分代表個人經驗之談,總而言之,嚴格控制工藝條件,是保證產品質量的前提。只有根據各個公司的工藝裝備和工藝技術水平,采用行之有效的操作技巧及工藝方法,加強全面質量管理(TQM),才能大大提高產品的合格率。

 

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