蚀刻的反应机理和概述

1.蚀刻概述

目前，印刷电路板（PCB）加工的典型工艺采用“图形电镀法”。即先在板子外层需保留的铜箔上，也就是电路的图形部分上预镀一层铅锡抗蚀层，然后用化学方式将其余的铜箔腐蚀掉，这个过程称为蚀刻。

要注意的是，这时的板子上面有两层铜，在外层蚀刻工艺中仅仅有一层铜是必须被全部蚀刻掉的，其余的将形成最终所需要的电路。这种类型的电镀叫图形电镀，其特点是镀铜层仅存在于铅锡抗蚀层上。另外一种工艺称为“全板镀铜工艺”，与图形电镀相比，全板镀铜的最大缺点是板面各处都要镀两次铜而且蚀刻时还必须都把它们腐蚀掉。因此当导线线宽十分精细时将会产生一系列的问题。同时，侧腐蚀会严重影响线条的均匀性。

目前，锡或铅锡是最常用的抗蚀层，用在氨性蚀刻剂的蚀刻工艺中。氨性蚀刻剂是普遍使用的化工药液，与锡或铅锡不发生任何化学反应。氨性蚀刻剂主要是指氨水/氯化氨蚀刻液，下面作主要介绍。

对蚀刻质量的基本要求就是能够将除抗蚀层下面以外的所有铜层完全去除干净，止此而已。从严格意义上讲，如果要精确地界定，那么蚀刻质量必须包括导线线宽的一致性和侧蚀程度。由于目前腐蚀液的固有特点，不仅向下而且对左右各方向都会产生蚀刻作用，所以侧蚀几乎是不可避免的。

侧蚀问题是蚀刻参数中经常被提出来讨论的一项，它被定义为蚀刻深度与侧蚀宽度之比，称为蚀刻因子。在印刷电路工业中，它的变化范围很宽泛，从1到5。显然，小的侧蚀度或大的蚀刻因子是最令人满意的。

蚀刻设备的结构及不同成分的蚀刻液都会对蚀刻因子或侧蚀度产生影响，或者用乐观的话来说，可以对其进行控制。采用某些添加剂可以降低侧蚀度。这些添加剂的化学成分一般属于商业秘密，各自的研制者是不向外界透露的。

从许多方面看，蚀刻质量的好坏，早在印制板进入蚀刻机之前就已经存在了。因为印制电路加工的各个工序或工艺之间存在着非常紧密的内部联系，没有一种不受其他工序影响又不影响其他工艺的工序。许多被认定是蚀刻质量的问题，实际上在去膜甚至更以前的工艺中已经存在了。同时，这也是由于蚀刻是自贴膜，是感光开始的一个长系列工艺中的最后一环，之后，外层图形即转移成功了。环节越多，出现问题的可能性就越大。这可以看成印制电路生产过程中一个很特殊的方面。

另外，在许多时候，由于反应而形成溶解，在印刷电路工业中，残膜和铜还可能在腐蚀液中形成堆积并堵在腐蚀机的喷嘴处和耐酸泵里，此时不得不停机处理和清洁，从而影响了工作效率。

2.反应机理

所有有关蚀刻的理论都承认这样一条最基本的原则，即尽量快地让金属表面不断地接触新鲜的蚀刻液。对蚀刻过程所进行的化学机理分析也证实了上述观点。在氨性蚀刻中，假定所有其他参数不变，那么蚀刻速率主要由蚀刻液中的氨（NH3）来决定。因此用新鲜溶液与蚀刻表面作用，其目的主要有两个：一是冲掉刚刚产生的铜离子；二是不断提供进行反应所需要的氨（NH3）。

在印制电路工业的传统知识里，特别是印制电路原料的供应商们，大家公认，氨性蚀刻液中的一价铜离子含量越低，反应速度就越快。这已由经验所证实。事实上，许多氨性蚀刻液产品都含有一价铜离子的特殊配位基（一些复杂的溶剂），其作用是降低一价铜离子含量（这些即是他们的产品具有高反应能力的技术秘诀 ），可见一价铜离子的影响是不小的。将一价铜离子浓度由5‰降至0.05‰，蚀刻速率会提高一倍以上。

由于蚀刻反应过程中生成大量的一价铜离子，又由于一价铜离子总是与氨的络合基紧紧结合在一起，所以保持其含量近于零是十分困难的。通过大气中氧的作用将一价铜转换成二价铜可以去除一价铜。用喷淋的方式可以达到上述目的。

这就是要将空气通入蚀刻箱的一个功能性的原因。但是如果空气太多，又会加速溶液中的氨损失而使pH值下降，其结果仍使蚀刻速率降低。氨在溶液中也是需要加以控制的变化量。一些用户采用将纯氨通入蚀刻储液槽的做法。这样做必须加一套pH计控制系统。当自动测得的pH结果低于给定值时，溶液便会自动进行添加。

3.影响蚀刻速率的因素

蚀刻液中的Cu2+的浓度、pH值、氯化铵浓度以及蚀刻液的温度对蚀刻速率均有影响。掌握这些因素的影响才能控制溶液，使之始终保持恒定的最佳蚀刻状态，从而得到好的蚀刻质量。(www.xing528.com)

① Cu2+浓度的影响。

因为Cu2+是氧化剂，所以Cu2+ 的浓度是影响蚀刻速率的主要因素。研究铜离子浓度与蚀刻速率的关系表明：在082.5 g/L时，蚀刻时间长；在82.5～120 g/L时，蚀刻速率较低，且溶液控制困难；在135～165 g/L时，蚀刻速率高且溶液稳定；在165～225 g/L时，溶液不稳定，趋向于产生沉淀。

在自动控制蚀刻系统中，铜离子浓度是用比重控制的。在印制板的蚀刻过程中，随着铜的不断溶解，溶液的比重不断升高，当铜比重超过一定值时，自动补加氯化铵和氨的水溶液，调整比重到合适的范围。一般控制在1.165～1.185 g/L。

② 溶液pH值的影响。

蚀刻液的pH值应保持在8.0～8.8。当pH值降到8.0以下时，一方面是对金属抗蚀层不利。另一方面，蚀刻液中的铜不能被完全络合成铜氨络离子，溶液要出现沉淀，并在槽底形成泥状沉淀。这些泥状沉淀能在加热器上结成硬皮，可能损坏加热器，还会堵塞泵和喷嘴，给蚀刻造成困难。如果溶液pH值过高，蚀刻液中氨过饱和，游离氨释放到大气中，会导致环境污染。另外，溶液的pH值增大也会增大侧蚀的程度，而影响蚀刻的精度。

③ 氯化铵含量的影响。

通过蚀刻再生的化学反应可以看出：[Cu（NH3）2]1+的再生需要有过量的NH3和NH4Cl存在。如果溶液中缺乏NH4Cl，而使大量的[Cu（NH3）2]1+得不到再生，蚀刻速率就会降低，以至失去蚀刻能力。所以，氯化铵的含量对蚀刻速率影响很大。随着蚀刻的进行，要不断补加氯化铵。但是，溶液中Cl-含量过高会引起抗蚀层被侵蚀。一般蚀刻液中NH4Cl含量在150 g/L左右。

④ 温度的影响。

蚀刻速率与温度有很大关系，蚀刻速率随着温度的升高而加快。

蚀刻液温度低于40 °C时，蚀刻速率很慢，而蚀刻速率过慢会增大侧蚀量，影响蚀刻质量。温度高于60 °C时，蚀刻速率明显增大。但NH3的挥发量也大大增加，导致污染环境并使蚀刻液中化学组分比例失调。故蚀刻温度一般应控制在45～55 °C为宜。

4.退　锡

当蚀刻完成后，需要将保护图形的锡抗蚀层除去。我们这里使用的是殷田公司SS-188退锡水，这是一种硝酸型退锡水，其主要反应式为：

由于氧化剂Ox能再生，反应过程消耗量少，其作用似于催化作用，可加速退锡速率。

控制比重：1.2～1.45 g/L。