PCB板DES制程中的短路缺陷分析與改善

顧亞東

【摘 要】DES（顯影蝕刻去膜）是PCB生產過程當中非常重要的制程。生產中，質檢部門經常檢測到PCB板存在DES制程缺陷造成的線路短路問題，直接關系到生產成本的增加，也關系到成品合格率。蝕刻后短路的問題，可能造成產線的品質惡化、進度延誤，甚至影響出貨。本文將分析討論DES制程中短路缺陷的原因，找出不同的因素來進行過程改善，并展示改善后的結果，包括采取長期措施進行預防。期望在現有的各種生產條件中尋找出最合適的制程控制方法，對DES的短路缺陷進行長期穩定的控制。

【關鍵詞】PCB板;DES制程;短路缺陷;缺陷分析;工藝改進

中圖分類號： TG356.55文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）16-0053-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.024

0 引言

PCB生產的DES制程中會有很多缺陷產生，常見的有如下幾點：

DES蝕刻后造成的PCB板面劃傷，蝕刻后的線路被外界因素強制造成損傷。該缺陷會使PCB 線路開路或者扭曲，導致信號中斷。所以在日常設備維護的時候，對滾輪的狀況、收放板機的機器要定期檢查調整。

DES制程后PCB板還會有短路問題，同樣會造成PCB板報廢。一般是由DES顯影段的干膜殘渣，蝕刻段的滾輪污染，藥水濃度的變化，參數的不穩定等因素導致的。

1 DES工藝的介紹

DES工藝的目的是將前工序所做出的有圖形的線路板上未受保護的非導體部分銅蝕刻去，形成線路。DES工藝中，D為顯影（Develop），E為蝕刻（Etching），S為去膜（Strip）。

1.1 DES工藝中的顯影

顯影的目的是將未發生聚合反應的區域用顯影藥水將其沖洗掉，曝光已感光部分則因已發生聚合反應而洗不掉，仍留在銅面上成為蝕刻阻劑膜。在顯影中只有水溶性的干膜才可以進行顯影。顯影槽中采用軟化水和碳酸鉀配制槽液。

整個顯影段由顯影槽、溢流水洗段、烘干段組成。顯影過程中，未曝光的干膜將會被完全溶解在藥液中。聚合的干膜將留在板面上在蝕刻過程中對相應的銅面起保護作用。在水洗槽中顯影液會被徹底沖洗干凈。水洗中加入硫酸鎂可以讓水洗更有效率。干燥后，板面上不應殘留任何的干膜碎片和其他雜質，否則會有短路風險。

顯影液添加的過程是由導電度控制，當電導率降至設定的最低點時，藥水添加泵將自動開始工作，電導率將隨之而上升，直到設定的最大值后，碳酸鈉的添加將停止。顯影段是產生DES短路的重要部分。

1.2 DES工藝中的蝕刻

蝕刻的目的是以蝕刻液將銅表面去除，留有抗蝕干膜的線路。蝕刻主要三點關鍵：線路線細，線路間距，線路短路。所以生產中重點把控蝕刻不盡和蝕刻過度。蝕刻過程中，Cu2+有氧化性，將板面銅氧化成Cu+。

反應過程：Cu+CuCl2->2CuCl

生成的CuCl不溶于水，在過量氯離子存在的情況下，產生可溶性絡離子：

反應過程：2CuCl+4Cl- -->2[CuCl3]2-

隨著反應的進行，Cu+越來越多，蝕刻銅能力下降，需要對蝕刻液再生，使Cu+變成Cu2+。目前使用的是雙氧水再生（反應速率快，易控制）。

反應過程 ： 2CuCl+2HCl+H2O2-->2CuCl2+2H2O

目前使用的自動控制添加系統通過控制蝕刻速度、雙氧水和鹽酸的添加比例、比重和液位、溫度、蝕刻噴灑壓力等項目，達到自動連續生產的效果。生產中，板面上裸露的銅面必須完全蝕刻干凈，否則會有線細或者間距的風險。

1.3 DES工藝中的去膜

去膜的目的是將線路上抗蝕干膜材料去掉，露出銅線路。生產中需要注意去膜不凈，否則在后續工藝中會有干膜渣殘留，導致后段壓合工藝有氣泡產生。蝕刻后，部分干膜仍然覆蓋在線條和焊盤表面，這些經過了紫外光照射而聚合過的干膜，必須在PH值大于12的溶液中融解，所以采用堿性去膜液。

2 常見短路原因

2.1 鍍銅造成銅顆粒短路

銅顆粒殘留造成蝕刻后線路上會有高低差，銅分層中的殘留導致蝕刻藥水無法完全將顆粒咬干凈。所以類似在DES制程之前顆粒操作的短路，需在鍍銅制程中對銅缸的雜質進行清理，比如加大過濾芯的更換頻率，用滾輪進行清潔等。

2.2 曝光造成的干膜過度聚合

在曝光時，曝光設備發生異常，造成PCB板表面產生大面積短路。一般情況下，曝光如果有類似以下幾種情況會造成大面積短路。

1）曝光設備能量異常，導致干膜聚合過度，顯影后明顯表現為線路外干膜未顯影干凈;

2）曝光臺面真空不足，導致PCB板曝光時有板翹，鐳射無法按照設定程序均勻曝光;

3）曝光聚焦異常，該表現為PCB板曝光后表面有固定區域的能量過高，干膜過度聚合。

改善方法：針對這些異常會造成大面積短路風險，DES工藝中都會取樣板進行提前觀察，檢測是否有類似問題，從而決定整個批次是否需要退膜返工。

2.3 DES工藝中造成的短路

1）DES顯影前的生產板板面是附著的干膜，而干膜表面為保護干膜的邁拉膜。顯影前生產板需要經過剝膜機，要將保護的邁拉膜去除。但是在邁拉膜去除的過程中，如果干膜有損傷，也會造成PCB板線路上有條形短路。

2）DES顯影過程中，顯影段會有藥水或者異物殘留，致使點狀顯影不盡。該顯影不盡直接導致蝕刻藥水無法滲透進去，造成微型短路。顯影段的壓力異常、藥水導電度異常、溫度異常、速度發生變化都會導致顯影段槽體內溶膜量增加，影響顯影效果，使顯影點后移，形成微短。另外在顯影水洗段使用的是去離子水，如果水質受到污染，水洗壓力不夠，同樣會污染滾輪，造成板面污染。DES制程生產及保養過程中，顯影段一直是重點關注的區域。比如生產時，顯影段壓力、溫度、顯影藥水的導電度都需要控制在設定范圍之內，絕對不可以有任何波動造成的報警。設備保養時要進行酸洗，將槽子酸堿中和，清潔干膜渣。因為生產時顯影藥水有較高的溶膜量，飽和時干膜渣容易附著在槽體和滾輪上，從而污染PCB板面。

3）DES蝕刻過程中同樣可能產生短路。由于蝕刻中藥水是再生循環生產，會存在各種板面上脫落的膠裝異物，顯影過程中帶進的干膜殘留會對蝕刻段滾輪造成污染，而且這些污染物會片狀的附著在板面，抑制藥水對銅面的攻擊，產生短路。同樣，蝕刻速度、藥水濃度、蝕刻溫度、藥水噴淋壓力、蝕刻均勻性也對蝕刻過程產生很大影響，如果其中一些參數發生波動，都會無法對銅面進行完整的咬蝕。

3 缺陷改善措施

對以上DES發生的短路進行分析并且改善時，首先明確改善的方向。發現短路問題，基本的解決反饋過程可以按照下面泳道圖所示進行。

A1：質檢部門發現PCB板短路問題。

A2：在線生產人員檢查設備狀況。

A3：質量工程師統計分析短路的風險狀況。

A4：生產工程師調整在線問題，采取短期和長期改善措施。

A5：調整之后的第一個LOT繼續觀察。

3.1 鍍銅造成的短路

這些缺陷往往在質檢部門通過檢測機很難明確分辨是鍍銅還是DES微短造成的，需要鍍銅和DES工程師都具備非常專業的PCB缺陷認知能力。在確認是鍍銅造成的短路后，要和鍍銅一起進行根本原因分析。比如是電鍍銅時電鍍層厚薄不均勻，導致蝕刻不干凈。

改善方法：鍍銅需要同時根據孔面積的大小，調整好單位面積的電流密度，電鍍時間盡量保持一致，保證滿負荷生產，同時增加陰、陽極擋板，制定“電鍍邊條”的使用制度以減少電位差。電鍍銅的異物導致的短路，需要對整個過濾系統進行檢查，水洗的質量控制，在線滾輪的清潔都要放在控制計劃之內。對在線過濾芯的密度進行改善，可以從10um提升到5um，進行異物控制。

3.2 曝光造成的大面積短路

1）目前對曝光機每周都會進行解析度的測試，對橫線、豎線、斜線都要采取PMC的監控方法，確認線路是否每周變化，來確定曝光的能量，聚焦能力等是否發生改變。

2）曝光臺面真空問題，材料上對曝光臺面墊板定期更換，參數上真空值設定相對比較小的范圍，能在發生問題時提前真空報警，預防板子曝光不均勻。

3）另外曝光時干膜表面有劃傷現象的時候，也會造成短路。膜面上有劃傷現象，劃痕積聚有灰塵形成黑色或不透明的“小線條”，在線路圖形曝光時因黑色或不透明的“小線條”遮光，使得顯影后在線路之間形成露銅點而造成短路，且板件上的銅箔越薄越容易短路，線間距越小越容易短路。一經發現邁拉膜有劃傷現象時，必須馬上進行更換或用無水酒精清潔，保證邁拉膜的透明度，嚴格控制不透明的劃痕存在。

3.3 DES剝膜機的改善方法

DES制程前剝膜機造成干膜面劃傷時，干膜結構因外力強壓，造成結構變化，在顯影時該區域干膜無法被顯影開，給蝕刻藥水造成抗蝕效果，形成線性短路。所以需要定期清潔剝膜機的壓膜輪，劍型板，加熱絲等部件，將這些部件加入設備維護的項目中，制定相關備件的使用壽命及更換標準。剝膜機保養時，在線員工需要按照保養要求，將壓膜輪，劍型板，加熱絲等進行拆除清潔。

3.4 DES顯影及蝕刻產生的短路改善

由于顯影和蝕刻對短路的影響具有共通性，放一起進行分析改善。按照人機料法環分析方法找出所有因素并找出解決的方案：

分析中先取出幾個影響因素：

1）DES顯影狀況。

2）DES蝕刻段狀況。

3）質檢部門判斷方法。

4）來料板子的狀況（比如銅顆粒多，曝光時異常發生，前面有分析到）。

5）在線生產員工的操作方法。

3.4.1 其中，對現場生產員工和質檢部門員工的表現進行MSA分析，通過分析不同員工同一時間生產的表現，同一員工在不同時間，同樣的生產條件下的表現，進行分析。結果顯示生產員工操作表現是可以接受的。質檢部門的判斷正確率基本穩定，但需要進一步的培訓。

3.4.2 對DES制程能力的穩定性進行檢查（包括蝕刻均勻性，溫度，壓力，速度，藥水濃度的綜合效果），取同樣類型的PCB板批次，在來料都是同一生產條件的前提下，連續生產了30個批次并監控DES制程的能力。從整個批次表現來看，DES本身的制程能力不是很穩定。

在監控的過程中發現了DES制程有3個因素有所影響：

X1：顯影段的水洗壓力發生了變化 ? ?-濾芯的影響。

X2：顯影段的滾輪開始發生污染 ?-顯影點是否合理。

X3：生產的板子有輕微間距，對判斷微短產生誤導-蝕刻速度是否合理。

將DES設備中的后臺設備幾個因子對應的參數進行，得到DES制程因子的影響分布，得出DES濾芯是產生短路的重要部分，其次顯影點和蝕刻速度的組合也是決定短路表現的因子。所以做一個簡單的DOE測試（采用同一批PCB型號的板子）。

通過DOE測試及結果得出最佳因子組合：高效濾芯，顯影點40%，蝕刻速度4.7。后面通過15個批次該型號的生產板進行重復驗證，得到所需要的短路良率，處在合理的置信區間之內。

4 總結

從以上分析結果來看，DES短路的主要原因有：

1）DES顯影狀況。

2）DES蝕刻段狀況。

3）質檢部門判斷方法。

4）來料板的狀況。

5）在線生產員工的操作方法。

結論：

1）通過以上分析，關鍵是和鍍銅還有曝光制程一起來控制PCB板的來料問題造成的短路。

2）對于DES制程本身產生的短路，需要重點關注設備使用濾芯的狀況，每周定期檢查顯影點是否偏移，對蝕刻的速度進行定期校準，可以將短路控制在可接受范圍內。當然像其他重要因子比如藥水濃度、溫度、導電度、噴淋壓力等同樣需要時刻控制在設定范圍內，防止發生波動導致大批量PCB短路問題。

短路作為PCB板的常見缺陷，廣泛存在于行業內的不同企業產線上，但是不同現象有不同原因，形成機理也不同，作為工藝應該立足于現場，看實物分析現象，這樣才能把握真因繼而改善問題。