淺談印制板圖形轉移制作工藝*

趙 鋒

(武漢數字工程研究所 武漢 430205)

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淺談印制板圖形轉移制作工藝*

趙 鋒

(武漢數字工程研究所 武漢 430205)

論文主要介紹了圖形轉移(干膜)的制作工藝流程,并針對制作過程的常見問題進行分析和采取對策。

印制板; 干膜; 圖形轉移; 顯影; 曝光; 貼膜; 返工

Class Number TB33

1 引言

現代電子產品對功能要求和質量穩定性要求越來越高,元器件安裝的密度也越來越密集,相應地對印制板生產制作也提出了新的需求,如層數的增加,線條的細小化等等,相對地對圖形轉移的要求也隨之發生變化。圖形轉移工序是印制板生產的一個重要過程,是將照相底片上的電路圖像轉移到覆銅箔板上,形成一種抗蝕或抗電鍍的掩膜圖像。抗蝕圖像用于“蝕刻工藝”,即用保護性的抗蝕材料在覆銅板上形成正相圖像,未被抗蝕劑保護的在隨后的化學蝕刻工序中被蝕掉,蝕刻后去除抗蝕層,便得到所需的裸銅電路圖像[1～2]。而抗電鍍圖像用于圖形電鍍工藝,即抗蝕材料在覆銅板上形成負相圖像,所需要的圖像是銅表面,經清潔、粗化,電鍍銅或電鍍鎳金,然后去掉抗蝕層進行蝕刻,電鍍的金屬保護層在蝕刻工序中起抗蝕作用,最后形成我們需要的圖形。印制板常見的圖形轉移工藝流程:基板前處理→貼膜→對位→曝光→顯影→修板。本文主要從這六個流程作簡單介紹。

2 前處理

2.1 刷板

貼干膜前的板面包括覆銅箔板和孔金屬化后預鍍銅的基板。為保證干膜與基材表面牢固的粘附,要求基板表面無氧化層、油污、指印及其它污物,無鉆孔毛刺、無粗糙鍍層;為增大干膜與基材表面的接觸面積,還要求基板有微觀粗糙的表面。為達到上述兩項要求,貼膜前要對基板進行認真的處理,其處理方法可以概括為機械清洗和化學清洗兩類,而機械清洗機又分為磨料刷輥式刷板機和浮石粉刷板機兩種,主要用的是前一種,下面予以重點介紹。

2.1.1 刷板流程

入板→稀酸洗→循環水洗→水洗→磨刷→水洗→吹干→烘干→出板

2.1.2 刷板機刷子

通常是由含有碳化硅磨料的尼龍絲編繞而成。磨料粒度不同,用途也不同,通常粒度為240目和320目的刷子用于鉆孔后去毛刺處理,粒度為500目的刷子用于貼干膜前基板的處理。在使用刷輥式刷板機的過程中,為防止尼龍絲過熱而熔化,應保持不斷向板面噴淋自來水進行冷卻和潤濕。

2.2 刷板品質控制

刷板及工作過程中應經常檢查刷子的長度,避免過短造成刷板質量缺陷。貼膜前板面的干燥很重要,殘存的潮氣往往是造成砂眼或貼膜不牢的原因之一,因此必須去除板面及孔內的潮氣,以確保貼膜時板子是干燥的,檢查刷板機內的烘干機和風刀,發現堵塞立即清除。刷板過程中的水洗非常重要,往往水洗不干凈會造成貼膜、顯影、電鍍等一系列缺陷,導致產品報廢。檢驗前處理效果的好壞,可做磨痕試驗和水膜破裂試驗予以驗證,磨痕一般控制在12～18mm,水膜破裂試驗至少應大于15s[3,10]。

3 貼膜

3.1 干膜光致抗蝕劑的結構

根據顯影和去膜的方法可把干膜分為三種類型:溶劑型干膜、水溶型干膜、干顯影或剝離型干膜。溶劑型干膜,其優點是工藝穩定,耐酸耐堿,容易控制,但使用有機溶劑作顯影和去膜劑,需要價格昂貴的顯影和去膜設備及輔助裝置,生產成本高,溶劑有毒,污染環境,已基本被淘汰;水溶型干膜包括半水溶性和全水溶性兩種,全水溶性的干膜顯影劑和去膜劑是堿的水溶液,我們目前使用的長興干膜和日立干膜就是全水溶性干膜,成本低,毒性小;剝離型干膜無顯影劑,無需任何顯影溶劑,只是在曝光后撕下聚酯膜時,未曝光的不需要的干膜隨聚酯膜剝離下來,留下來的就是已曝光的需要的干膜圖像[4]。

干膜光致抗蝕劑由聚酯薄膜、光致抗蝕劑膜及聚乙烯保護膜三部分,結構如圖1所示。

圖1 干膜結構示意圖

聚酯薄膜是支撐感光膠層的載體,厚度通常為25μm左右。聚酯薄膜在曝光之后顯影之前除去,防止曝光時氧化向抗蝕劑層擴散,引起感光度下降。

聚乙烯膜是覆蓋在感光膠層上的保護膜,防止灰塵等污物粘污干膜,避免在卷膜時,每層抗蝕劑的相互粘連。一般厚度25μm左右。

光致抗蝕劑膜為干膜的主體,其厚度有多種規格,最薄的可以是十幾個微米,最厚的可達100μm。圖形電鍍用的干膜厚度通常為38μm,而作內層板的干膜一般是25μm[5]。

3.2 貼膜

貼膜時,先從干膜上剝下聚乙烯保護膜,然后在加熱加壓的條件下將干膜抗蝕劑粘貼在覆銅箔板上。干膜中的抗蝕劑層受熱后變形,流動性增加,借助于熱壓輥的壓力和抗蝕劑中的粘結劑的作用完成貼膜。

貼膜通常在貼膜機上完成,其貼膜示意圖如圖2所示。

圖2 貼膜示意圖

連續貼膜時要保證上下干膜送料輥的上、干膜要對齊,以防貼至板面的干膜發生折皺。貼膜時要掌握好三個要素:壓力、溫度、傳送速度。

· 壓力:一般調至使干膜易貼,貼牢不出皺折即可,不需經常調整,一般壓力可打至45±10psi。

· 溫度:貼膜溫度過高,干膜圖像變脆,耐鍍性差,貼膜溫度過低,干膜與銅面結合不牢,在顯影或電鍍過程中,膜易起翹甚至脫落,通常控制貼膜溫度在110℃±10℃。

· 傳送速度:與貼膜溫度有關,溫度高,傳送速度可快些,溫度低則傳送速度調慢,通常傳送速度為1～1.5m/min。

完好的貼膜應是表面平整,無皺折、無氣泡、無灰塵顆粒等雜物。為保證顯影的質量,貼膜后應經過15分鐘的冷卻及恢復再進行曝光。

4 曝光

4.1 對位

對位有兩種方式,一種以孔為中心對位,另一種嚴格按方向孔對位。重氮底片(黃菲林)藥面朝向板面,不能將藥面及膜面用反,(區分:用刀片刮重氮底片黃色區域,能夠刮掉的那面為藥面,反之即為膜面)。

4.2 影響曝光成像質量的因素

曝光即在紫外光照射下,光引發劑吸收了光能,分解成游離基,游離基再引發光聚合單體進行聚合交聯反應,反應后形成不溶于稀堿溶液的體型大分子結構,曝光一般在自動雙面曝光機內進行。影響曝光成像質量的因素除干膜光致抗蝕劑的性能外,光源的選擇,曝光時間(曝光量)的控制,菲林底片的質量等都是影響曝光成像的重要因素[6]。

4.2.1 光源的選擇

任何一種干膜都有其自身特有的光譜吸收曲線,而任何一種光源也都有其自身的發射光譜曲線,如果某種干膜的光譜吸收的主峰能與某種光源的光譜發射相重疊或大部分重疊,則兩者匹配良好,曝光效果最佳。

干膜的光譜吸收區一般為310nm～440nm(毫微米)。鏑燈、高壓汞燈、碘鎵燈在310nm～440nm波長范圍內有較大的相對輻射強度,是干膜曝光理想的光源[2]。光源種類選定后,還應考慮選用功率大的光源,因為光強度大,分辯率高,而且曝光時間短,菲林底片受熱變形的程度也小。本文中采用的是5kW的高壓汞燈。

4.2.2 菲林底版的質量

菲林底片的質量主要表現在光密度和尺寸穩定性方面。關于光密度,要求最大光密度Dmax大于3.5,最小光密度Dmin小于0.17,即在良好的擋光以及良好的透光時,菲林才是最好的。

菲林底片的尺寸穩定性(指隨溫度、濕度和儲存時間的變化)將直接影響的制板尺寸精度的圖像重合度。因此,菲林底片及其產品的生產、使用及儲存最好均在恒溫的環境中,以環境控制在20℃±1℃、60±5%RH為例,它們的尺寸變化如表1所示[2]。

表1 菲林尺寸變化表

曝光后,聚合反應還要一段時間,為保證工藝的穩定性,曝光后不要立即揭去聚酯膜,以使聚合反應持續進行,一般停置時間需要15min以上,待顯影前再揭去聚酯膜。

4.2.3 曝光時間的控制

正確控制曝光時間是得到優良的干膜抗蝕圖像非常重要的因素。當曝光不足時,由于單體聚合的不徹底,在顯影過程中,膠膜溶漲變軟,線條不清晰,色澤暗淡,甚至脫膠,在電鍍前處理或電鍍過程中膜起翹、滲鍍,甚至脫落。當曝光過度時,會造成難于顯影,膠膜發脆留下殘膠等弊病,過量的曝光會使圖形電鍍的線條變細,使印制蝕刻的線條變粗,反之曝光不足使圖形電鍍的線條變粗,使印制蝕刻的線條變細。

如何正確確定曝光時間呢？通常生產干膜的公司都推薦使用某種光密度尺,干膜出廠時都標有推薦的成像級數,一般使用斯圖費(Stouffer)21級光密度尺,例如目前使用的長興干膜,其曝光級數一般控制為7～9級有殘膠[7]。

5 顯影

5.1 顯影機理

水溶性干膜的顯影液為1%左右的碳酸鈉溶液。

顯影機理是感光膜中未曝光部分的活性基團與稀堿溶液反應生成可溶性物質而溶解下來,顯影時活性基團羧基-COOH與無水碳酸鈉溶液中的Na+作用,生成親水性集團-COONa。從而把未曝光的部分溶解下來,而曝光部分的干膜不被溶脹。

顯影操作一般在顯影機中進行,控制好顯影液的溫度、傳送速度、噴淋壓力等顯影參數,能夠得到好的顯影效果,一般來說,顯影液溫度為30±2℃,噴淋壓力為20～35psi,傳送速度可以根據顯像點的測定而定。

5.2 顯影檢查

正確的顯影時間通過顯像點(沒有曝光的干膜被顯掉的點)來確定,如果顯像點離顯影段出口太近,未聚合的抗蝕膜得不到充分清潔顯影,抗蝕劑的殘余可能留在板面上。如果顯像點離顯影段的入口太近,已聚合的干膜由于與顯影液過長時間的接觸,可能被浸蝕而變得發毛,失去光澤,通常顯像點控制在顯影段總長度的50%～70%之間即可。

使用顯影機由于溶液不斷地噴淋攪動,會出現大量的泡沫,因此必須加入適量的消泡劑,如正丁醇,印制板專用消泡劑AF-3等,我司用的是PC-2004。消泡劑起始的加入量為0.1%左右,隨著顯影液溶進干膜,泡沫又會增加,可繼續分次補加。顯影后要確保板面上無余膠,以保證整體金屬銅與電鍍金屬之間有良好的結合力[8]。

顯影后板面是否有余膠,肉眼很難看出,可采用氯化銅試驗來檢查,顯影后板面經過清潔,微蝕粗化及稀酸處理后,放入5%重量比的氯化銅溶液內處理30s,并輕微搖動液體,以驅逐氣泡,經過處理后的板子進行目視檢查,若顯影正常的銅面,氯化銅溶液使之形成一層黑色氧化層(此氧化層可在電鍍前處理線中去除干凈),若銅面有余膠,則仍會保持光亮銅的顏色。

5.3 修板

修板主要是對前面幾個流程的質量進行再次確認,一是修補圖形上的質量缺陷,二是除去與圖形要求無關的疵點。這兩種缺陷產生的主要原因是:干膜本身有顆粒或雜質,基板表面粗糙造成凹凸不平,操作工藝不當如板有污物及貼膜小皺折,菲林底片及真空框架不清潔等,為減少修板工作量,應特別注意上述問題,如表2所示。

修板液可用蟲膠、瀝青、耐酸油墨等,常用的是耐酸油墨。

修板時應戴細紗手套,以防汗漬污染板面。

5.4 去膜

去膜使用3%～5%的NaOH溶液,溫度控制在55±5℃,去膜方式可用槽式浸泡,也可機器噴淋,槽式浸泡是板子上架后浸泡到去膜液中,約五分鐘后膜變軟脫落,取出后立即用水沖洗,膜就可以去除干凈,否則銅表面會被氧化。

6 常見的問題及排除方法

表2 圖形轉移常見問題及解決措施

7 結語

圖形轉移是印制板制作流程中的關鍵工序,它的品質直接影響企業效益,不容忽視。

基于上述的討論,提出以下建議:加強人員的培訓,按層次培養員工隊伍,操作人員、培訓師、設備的維護保養人員、工程技術人員、品質保證人員等,在很多工人內部對操作人員要求不高,只要懂得操作就行。熟不知,要想獲得良好的工序品質,現場的操作參數、生產過程以及異常的控制都需要具備良好技能的人員來完成。員工只有在不斷總結實踐的經驗基礎上才能提高產品質量,提高工序的生產能力。

[1] 李乙翹.印制電路工藝技術.中國電子學會全國印制電路專業委員會,1997:180-194.

[2] 黃英海.圖形轉移菲林生產過程中尺寸漲縮變化評估[J].印制電路信息,2011(11).

[3] 王鈞銘,金鴻,陳森.印制電路技術[M].化學工業出版社,2009:238-262.

[4] 周旭.印制電路板設計制造技術[M].中國電力出版社,2012:202-203.

[5] 毛柏南.印制電路板電鍍[M].化學工業出版社,2008:114.

[6] 韓雪濤.電子產品印制電路板制作技能演練[M].電子工業出版社,2009:208-209.

[7] 張懷武,等,現代印制電路原理及工藝[M].機械工業出版社,2010:212-267.

[8] 姜培安,魯永寶,等.PCB的設計與制造[M].電子工業出版社,2012:323.

[9] 鄧宏喜.PCB企業工藝管理的實戰經驗[J].印制電路資訊,2010(2):49-53.

[10] 李明.員工培訓實用基礎教程(二十八)[J].印制電路資訊,2011(3):97.

Introduction of PCB Graphic Transfer Process

ZHAO Feng

(Wuhan Digital Engineering Institute,Wuhan 430205)

The graphic transfer process is mainly introduced in this paper,and the analysis and countermeasures for the problems of the production process are conducted.

PCB,dry film lamination,pattern transfer,developing,exposure,films,rework

2014年8月3日,

2014年9月17日

趙鋒,男,研究方向:印制板及印制板模塊、機箱機柜生產、檢驗等。

TB33

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.041