銅箔表面清潔處理技術(shù)在印制板生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、銅箔表面清潔處理技術(shù)在印制板生產(chǎn)中的應(yīng)用一、前言近年來，電子工業(yè)飛速發(fā)展,越來越能滿足高密度封裝及小型化發(fā)展的需求。 與之相應(yīng)，印制電路工業(yè)界也必須面對日益迫近的更為精細線路，及線間距高密 度印制電路板的制造任務(wù)。為了避免生產(chǎn)率的劇烈下滑，印制電路板制造商不得不再次對其整個生產(chǎn)工 藝流程，從每個工步入手，對細節(jié)處進行逐次檢查。眾所周知，對于印制電路板制造來說，很關(guān)鍵的一步是:銅箔表面抗蝕材料（十 膜、液態(tài)抗蝕劑、阻焊膜）的運用。對于印制電路板制造之抗蝕材料運用來說，未經(jīng)任何處理的銅箔表面，是不能 提供其所需的足夠的粘接點的。需要通過表面清潔及預(yù)處理，除去銅箔表面所有 的污染物，并創(chuàng)建出一個適合

2、粘接的粗糙表面。為此，對于更薄內(nèi)層單片覆銅箔材料的使用、設(shè)計所需更精細線路及線間距制 造的要求，以及隨之而來的對高品質(zhì)銅箔表面處理需求，極大的促進了這一領(lǐng)域 的傳統(tǒng)研究及新手段的探索。傳統(tǒng)覆銅箔層壓板材料需要對其外貌（表面）進行改變,通常是除去所有污染 物和外來雜質(zhì)元素，以實現(xiàn)清潔表面的目的。二、銅箔表面?zhèn)鹘y(tǒng)的銅箔大多采用電解的方式，在一個不斷旋轉(zhuǎn)的不銹鋼滾筒陰極上獲取, 也即電解銅箔。隨后，通常會經(jīng)過進一步的化學(xué)處理，俗稱防氧化處理。類似于采用銘酸鹽來 抵抗腐蝕，涂鋅于銅箔面,用來保護銅箔經(jīng)受住高溫層壓條件的嚴峻考驗。此外，“防氧化”處理，還能保證覆銅箔層壓板材料有較長的貨架壽命。下圖1展示

3、的是掃描電子顯微鏡拍攝的銅箔表面結(jié)構(gòu)形態(tài)示意。對于抗蝕材料（干膜、阻焊膜或其他）來說，粗糙的表面可以提供一個更好的 粘接效果。這是因為，一個優(yōu)良的表面,應(yīng)當(dāng)展示出一致性的銳利峰和谷的結(jié)構(gòu)形 態(tài),在此結(jié)構(gòu)形態(tài)的表面，方能實現(xiàn)涂覆層的機械性錨接。而傳統(tǒng)覆銅箔層壓板材料的原始銅表面，不具備上述提及的一致性形態(tài)結(jié)構(gòu), 因此，針對可利用的任何涂層，提供不出一個足夠錨接力的表面形態(tài)。最后，無數(shù)經(jīng)驗證明：傳統(tǒng)覆銅箔層壓板材料的原始銅表面，對于抗蝕材料獲 得優(yōu)異粘接來說未經(jīng)任何處理，顯然是不適合的。至于有效粘接的必備條件，應(yīng)該是擁有一個高低錯落的形態(tài)結(jié)構(gòu)，且必須具有 較高的潔凈程度。三、銅表面的清潔和預(yù)處理方

4、法3.1研磨刷清潔處理3.1.1概述作為最早和很常用的清潔方法,研磨刷清潔處理已被使用許多年了。該方法是 采用帶有研磨顆粒的無紡尼龍纖維組成的緊密刷輥,通過專門設(shè)計制造的刷板設(shè) 備,對需處理覆銅箔層壓板銅表面進行處理。下面給出了兩張研磨刷輥示意圖。其中，圖2展示的是浸漬研磨顆粒的硬毛 刷，圖3展示的則是Scotch拋光刷。該技術(shù)被廣泛用以對覆銅箔層壓板銅表面進行清潔處理。至于拋刷的目標(biāo)，是借助研磨顆粒在材料表面的切線運動，通過機械摩擦和粗 化銅箔表面,在同一時間內(nèi)，除去任何可能附著的污染物。如圖4所示，并不是擦痕密度越高,抗蝕材料的粘接性能越好。因為，當(dāng)貼干膜操作時，銅箔表面的擦痕可能會造成橋

5、狀空隙，而且，在歷經(jīng)干 膜曝光和顯影處理后，此類溝道空隙依然存在。對于多層印制板的內(nèi)層圖形制作來說,在圖形轉(zhuǎn)移后，將進行酸性蝕刻操作。 由于上述橋狀空隙的存在，蝕刻溶液可能會蔓延滲入其中，從而造成線寬的不規(guī) 則改變，嚴重時甚至?xí)斐删€斷缺陷。此情況的結(jié)果，將會使線寬控制無規(guī)律，精 細線路開路。相似的問題還會出現(xiàn)在多層印制板的外層圖形電鍍制作中：在此過程中，電鍍 溶液會潛入干膜下部,造成滲鍍問題的出現(xiàn)，最終會導(dǎo)致線寬增寬,線間距無規(guī)則 變化,嚴重時會導(dǎo)致精細間隙橋連短路。關(guān)于表面元素組成，我們能斷定含研磨顆粒的輥刷具有侵略性的作用，一定能 除去大部分的銅箔表面污染物和外來元素。然而，現(xiàn)今的組成印

6、制線路的導(dǎo)體部分和介質(zhì)部分，大部分是相互平行布設(shè)的。而且,其線寬和線間距大小，幾乎與前述提及的單向性擦痕數(shù)量級相當(dāng)。因此，此種高密度印制電路制造需求，迅速導(dǎo)致研磨刷清潔方法的荒廢，大大 降低了其運用普遍性。此外，硬研磨刷不能被用來對內(nèi)層薄單片進行清潔處理，否則會使薄單片遭受 不可接受的延長變形和可能導(dǎo)致板材損壞。圖5展示的是，經(jīng)過研磨刷處理和顯影蝕刻或電鍍制程的粗糙形態(tài)圖示意。使用研磨刷處理的另外一個不足是，該表面清潔處理法，有可能破壞金屬化孔 的孔口部分。此問題的出現(xiàn)是由于研磨刷本身的結(jié)構(gòu)，加之金屬化孔線路上部所 經(jīng)受的強機械作用所致。另外，由圖6可見，該不足問題的出現(xiàn)，會造成金屬化孔的拐角

7、裂縫，由此導(dǎo)致 印制板成品的質(zhì)量問題和可靠性降低。正如前面所述，研磨刷清潔處理所造成的銅箔表面擦劃是單向性的，因此，對 于印制線路圖形制造、精細線路精確度的實現(xiàn)，將大大依賴于銅箔表面擦劃的方 向。3.1.2特點外來顆粒可能被包埋于銅箔之下(“犁”作用)；存在銅箔表面和多層板內(nèi)層金屬化孔孔壁間的連接破裂危險，隨著電鍍銅 層厚度減薄的趨勢，此種連接破裂危險將越發(fā)嚴峻；磨刷壓力控制很關(guān)鍵，而且受操作者控制的敏感性很大；磨刷的磨損往往是非一致性的發(fā)生，從而導(dǎo)致磨刷壓力的不均勻性運用；對于薄層壓板材料的磨刷處理，不造成材料的損壞是非常關(guān)鍵且值得廣為 關(guān)注的問題；磨刷所造成的拐角折斷，可能會導(dǎo)致短路情況的

8、發(fā)生。3.2化學(xué)清潔處理3.2.1概述當(dāng)關(guān)注到薄型材料表面擦劃、材料延伸和損壞時，化學(xué)清潔處理總是研磨刷清 潔處理的不二替代方法。首先，銅表面先經(jīng)除油處理，以除去有機沾污，例如油脂和手指印漬，或類似于 防氧化處理層的銘酸鹽。隨后，將運用微蝕刻處理，以除去銅層表面的氧化物，并 同時提供一個微粗化的銅表面。圖7展示的是：優(yōu)良的微蝕刻處理銅表面和改善銅表面結(jié)構(gòu)形態(tài)，提供一個有 效粘接的足夠粗糙形態(tài)。該清潔處理制程，不包括針對銅層表面的機械作用，因此，考慮到完全除去銅 表面沾污物，避免可能產(chǎn)生的處理不一致性,是很關(guān)鍵的。由于覆銅箔層壓板生產(chǎn)廠商所用的銅層表面抗氧化涂層厚度各不相同，其耐 受微蝕刻處理的

9、能力也存在差異，這將會導(dǎo)致清潔處理后的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)的不一 致性。相同的概念也將被運用到所有外來元素中，例如樹脂斑點：任何污染物，除非 可以完全溶解于所用化學(xué)溶劑中，是不能被除去的，它將最終遺留在銅層表面，并 阻止后續(xù)制程對其下部銅層的進攻。3.2.2不足相比之較高的處理成本，增大水的消耗,且存在污水處理問題，制程每步 控制一致性困難；沒有大多數(shù)機械清潔處理方法運用中，對于銅層表面刷磨的切線作用。任 何污染物，除非可以完全溶解于所用化學(xué)溶劑中，是不能被除去的,將最終遺留在 銅層表面，并阻止后續(xù)制程對其下部銅層的進攻；處理所獲得的表面均勻一致性和連貫性,是有問題的；除油制程所用的每種化學(xué)產(chǎn)品，僅能

10、有選擇性地進攻一定范圍的污染物。 這將導(dǎo)致選用價格昂貴和復(fù)雜組成的上述除油化學(xué)產(chǎn)品，或采取較長的處理生產(chǎn) 線，其中包括許多除油和淋洗段；每種化學(xué)物質(zhì)，必須仔細且經(jīng)常進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果進行補充調(diào)整, 從而保證處理結(jié)果的一致性；處理所用的有機酸、加速劑、表面活性劑(相當(dāng)于潤濕劑)和穩(wěn)定劑，會 帶來較多的問題，并增加污水的處理成本。如果針對超柔軟性材料的表面處理，當(dāng)機械清潔方法不能加工處理之情況下, 可選擇應(yīng)用化學(xué)清潔處理方法。不過，機械清潔處理方法是較好的選擇，因為它們較易被控制，且可采取較為 固定的方式反復(fù)進行加工。3.2.3優(yōu)點如果不滿意研磨顆粒的磨痕擦劃，在進行精細線路制造技術(shù)中，其他

11、方法會污 染所運用的較貴的液態(tài)光致抗蝕材料。隨著化學(xué)清潔處理法變得越來越普遍,薄內(nèi)層單片的運用日漸增加，因為該處 理方法針對超精致銅箔處理時，僅會造成材料的有限度伸長。3.3火山灰噴射清潔處理3.3.1概述在試圖消除或降低采用前述所提及方法所帶來的固有機械問題時，一些設(shè)備 制造商開發(fā)出了一個基于火山灰漿噴射需處理材料表面的清潔處理方法。由圖8展示可看出，火山灰噴射前處理，所得到的銅箔表面結(jié)構(gòu)，太光滑和缺 乏銳峰的處理效果。當(dāng)與用其他方法獲得的粗糙結(jié)構(gòu)表面相比較時，盡管所獲得的是一個太光滑 的表面，且缺乏銳峰，但銅箔表面被一致性砂磨處理過了。另外，針對抗蝕材料的 一個較弱的錨抓表面形態(tài)結(jié)構(gòu),是期

12、望能夠獲得的。至于提及去除表面的外來元素，我們應(yīng)當(dāng)注意到，當(dāng)火山灰漿被噴射到板的表 面時,火山灰粉末相對較輕，因此提供的是一個弱的機械作用。此外，沒有機械研 磨作用于板面的切線處理效果。當(dāng)材料表面僅通過簡單的錘擊處理時,那些較難被置換掉的污染物，可能將不 能完全被除去。另外，火山灰泥漿的檢測是很關(guān)鍵的?；鹕交翌w粒隨著時間的過去，具有不斷 沉降的趨向。典型的火山灰泥漿的濃度和壽命，必須被嚴格控制，以確保其清潔處 理作用，滿足于可接受水平之上。注意：通?；鹕交覈娚浔砻嫣幚硇杞Y(jié)合化學(xué)清潔步驟來實施。3.3.2優(yōu)點（1）該技術(shù)可排除所有磨刷的使用，以及由此帶來的機械問題；（2）由于不使用磨刷，制程允許

13、在不造成損壞的情況下，完成對薄型材料的表 面清潔處理。3.3.3缺點（1）對銅表面沒有機械磨損的切線作用。那些污染物，較難被置換掉,當(dāng)僅采 用該法簡單地“錘擊”處理時，不能被完全去除；銳峰的缺乏，以及較平滑表面效果(比較采用尼龍刷結(jié)合火山灰泥漿處理 所得表面處理效果)，將會導(dǎo)致稍低的抗蝕材料粘結(jié)力；處理板表面上的火山灰泥漿，將隨著板子運行通過整個設(shè)備，致使整個制 程效率降低和緩慢；火山灰泥漿的檢測是很關(guān)鍵的，在處理一段時間后，火山灰穎粒會變得鈍 化。一般來說，必須對火山灰漿濃度和壽命加以嚴格控制，以保證其清潔處理效果, 達到可接受水平之上；與一種帶有磨刷配置的堅硬結(jié)構(gòu)的火山灰刷板設(shè)備相比較，該

14、技術(shù)運用所 需設(shè)備，采用塑料制造，肯定較便宜和簡單。然而，鑒于火山灰泥漿循環(huán)使用和噴 射的相對高壓力,它存在一個嚴重的磨損隱患，導(dǎo)致設(shè)備報廢；該制程僅相對成功應(yīng)用于較大表面銅的清潔處理，例如，用于多層印制板 的內(nèi)層板圖形轉(zhuǎn)移前處理。3.4氧化鋁顆粒噴射清潔處理3.4.1概述為了克服火山灰噴射處理效率低和不一致性機械作用問題，幾經(jīng)努力,研制出 了由氧化鋁代替的噴射清潔處理技術(shù)。由于氧化鋁穎粒較重和較堅硬，所以其漿 狀物的噴射，對板面能保證較強的沖擊效果。從圖9可看出，經(jīng)處理后的銅表面呈現(xiàn)出低銳峰，因此改進了對其表面的有效 粘合效果。氧化鋁漿噴射的錘擊作用，改變了板材表面銅的結(jié)構(gòu)，因而有效地改進了

15、后續(xù) 涂層的粘結(jié)性能。所有種類的外來元素(氧化物，銘酸鋅有機物)依然存在，幾乎與原始未處理 銅表面具有相同的百分比。這是因為,沒有機械磨損切線作用于表面的除去外來 元素能力，從而揭露出其下所包埋的原始銅表面。掃描電子顯微鏡圖片清晰地證實了氧化鋁噴射處理的效果，盡管其提供了一 個針對抗蝕材料的可接受的機械處理錨接效果，但未能除去污染物。因此，無論該 制程前或后,一個化學(xué)清洗工步是需要的。此外，還應(yīng)該關(guān)注的是，如果在噴射清潔處理操作中，與采用尼龍刷和研磨劑懸浮液刷磨效果相比較，使用太高壓力,被處理材料將被證實有一定程度的伸長。不使用刷輥，雖然一定程度上會影響處理板的質(zhì)量，但卻能提供某些程度的優(yōu) 勢

16、：不需要根據(jù)待處理板的厚度不同，改變和調(diào)節(jié)刷輥，于任何時間通過氧化鋁噴 射清潔處理。當(dāng)然，噴嘴的更換還是需要的。針對一個收縮的市場需求，該市場要求清潔處理設(shè)備制造廠家,更多關(guān)注操作 成本減少、維修保養(yǎng)時間縮短、全自動、操作者技能依賴性降低等諸多方面因素。 氧化鋁噴射清潔處理會在工業(yè)化生產(chǎn)中，擁有一席之地。此外，采用氧化鋁噴射清潔處理的一個重要應(yīng)用，是化學(xué)浸金前銅表面的清潔 處理。3.5利用火山灰和尼龍刷的磨刷清潔處理3.5.1概述火山灰，歷史性地被用于清潔銅箔表面，再次開始流行于70年代初。由圖10可看到，銅箔具有均勻的、一致性、可砂處理的、深度浸蝕表面，且采 用火山灰顆粒的精度微作用，可實現(xiàn)

17、一個粗化的富峰表面。而且，該表面形態(tài)對所 有涂層獲得良好粘結(jié)，是理想的載體。無特定方向：表面是一致性的，外形輪廓的測量不依賴于其測量方向。我們甚至不能談及“劃痕密度”，因為根本無任何劃痕存在，因此，沒有干膜 橋和溝存在于其下部。銳利火山灰顆粒和尼龍磨刷的共同作用，對于表面是沿著其切線方向的：所有 沾污物，不考慮其種類,被機械性除去，從而露出其下新鮮的光澤銅面。這些相片與圖1原始銅表面相比較,清晰顯示出其表面外來元素劇烈的減少, 如氧化物和有機物,所有銘酸鹽完全消失，鋅也減少到一個幾乎難以尋找的數(shù)量。在干膜應(yīng)用前用帶有火山灰的磨刷處理,是當(dāng)今流行的在線表面處理方法。采用相同的方法，僅通過改變選用

18、氧化鋁顆粒，對于前處理來說，是更佳的方 法。其他方法對于涂層運用來說，不能提供足夠的錨接點，以經(jīng)受住高溫下的多重 焊接循環(huán)。對于其他處理方法較窄的工藝控制窗口，例如噴射磨刷或化學(xué)清潔處理，針對 可能出現(xiàn)的不同條件，完全不能保證其相同的一致性粘結(jié)。3.6利用氧化鋁顆粒和尼龍刷的磨刷清潔處理3.6.1概述采用火山灰泥漿溶液和尼龍刷進行的磨刷處理方法，已被進一步改善為選用 磨刷性能更佳的氧化鋁顆粒一AL2O3。圖11給各位展示的是，在結(jié)合了氧化鋁顆粒泥漿和尼龍刷后，對銅表面進行 有效處理后的結(jié)構(gòu)形態(tài)。銅箔表面是一致性處理的，且顯示出大量的銳利峰和谷,此形態(tài)對于所有涂層 獲得好的錨接來說，是必須的。這

19、種銅箔表面形態(tài)非常相似于采用火山灰磨刷所 能獲得的情況：沒有特定方向、沒有劃痕等特征。（參見圖10）通過比較上圖與原生態(tài)未處理的銅箔（圖1）,我們注意到沾污物僅通過一個 渠道被消除了：銘酸鹽完全消失了，鋅甚至減少到一個幾乎探測不到的數(shù)量。利用氧化劑顆粒的磨刷處理，能提供與火山灰磨刷一致的表面處理質(zhì)量，但氧 化鋁顆粒的運用，開始成為印制板工業(yè)界非常普遍的方法，則歸功于其所具有的 額外優(yōu)點，這將在隨后進行討論。四、火山灰與氧化鋁顆粒比較火山灰是來源于火山口火山巖的天然硅酸鹽混合物，它是借助于陸地上一些 礦的挖掘而得來的，然后，經(jīng)過碾碎、過篩和過濾，篩分出各種不同等級的火山灰。氧化鋁則是一種人工合成

20、物，因此其具有非常一致性的化學(xué)和物理特性。4.1化學(xué)組成（典型百分率）上述提及的火山灰和氧化鋁的化學(xué)組成，請參見下表1。表1火山灰和氧化鋁的化學(xué)組成示意以實際應(yīng)用為目的，上述兩種產(chǎn)品當(dāng)溶解于水、酸和堿中后，均可被認為是具 有化學(xué)惰性特點。不過，火山灰的懸浮水溶液，由于其含有一些氫氧化物,故略顯 堿性。4.2基本特性火山灰和氧化鋁穎粒的物理特性大不相同。4.2.1火山灰火山灰粉末含有不同大小的顆粒，從可能的最小顆粒，到幾乎不可控制的最大 尺寸顆粒。其中，最小顆?？赡軙v起飛落工作場域，因而會危害到室內(nèi)潔凈度。另一方面,不可控制的最大顆粒，可能會粘在印制線路間，或進入最小的孔內(nèi)。火山灰具有很多孔之

21、海綿狀結(jié)構(gòu)，因此很輕：其比重小于1（火山灰石能沿火 山島嶼海岸漂浮于水面）?；鹕交沂且环N易碎材料,其顆粒趨于分解為較小顆粒，但仍呈現(xiàn)其特質(zhì)切邊形 狀。不論何種情況下，需要每周清洗火山灰漿罐，同時，補充進新火山灰，使之形成 新鮮火山灰漿溶液。4.2.2氧化鋁氧化鋁是一種人工生產(chǎn)出來的研磨料，因此，可獲得較火山灰更窄窗口控制的 顆粒大小分布。根據(jù)生產(chǎn)板的特性（線寬和線間距、孔徑尺寸）和所需要獲得的表面處理效 果（是用于干膜制板之銅表面前處理，還是用于阻焊膜制造前處理,等等），使用 者可以選擇合適顆粒尺寸的氧化鋁顆粒磨料。氧化鋁的比重接近于4,至少5倍于火山灰，因此，很少發(fā)現(xiàn)有工作區(qū)域的回收 問題需

22、要解決。高的比重,允許連續(xù)使用，且能被從水中有效分離，因此，氧化鋁是可以完全回 收的,并可保存于泥漿罐中，從而最終減少了研磨粉的損失。首先，按要求注入此種研磨粉，其后，在使用中偶而添加，作為板子帶出所造成 的損失補償。水連續(xù)流經(jīng)泥漿罐，并保持其潔凈，一旦板面沾污物,如氧化物和金 屬銅脫離系統(tǒng)，將被水所帶走。氧化鋁不易裂解，比火山灰堅硬得多（氧化鋁達9Mohs,而火山灰僅為5.5），所 以其使用壽命較長。圖12和13展示的是：經(jīng)過兩個月的使用后，氧化鋁研磨料仍未碎解,未產(chǎn)生 不希望見到的小尺寸顆粒，而且其相當(dāng)鋒利的邊緣仍清晰可見。前述提及的高比重優(yōu)勢，以及氧化鋁磨料被水連續(xù)清洗過程中，對板面處理的 長時間有效性，被氧化鋁顆粒未顯示任何可見的邊緣退化所證實。針對大規(guī)模制造中，火山灰使用大量流失所造成的可觀制造成本，氧化鋁的使 用