集成电路制造

U19E00700

　　双面印制电路板的制作虚拟仿真实验模块内容：

　　1、 钻孔

　　印制电路板通孔加工的方法包括数控钻孔、机械冲孔、等离子蚀孔、激光钻孔、化学蚀孔等。本实验采用的数控机械钻孔。

　　数控钻孔是在电脑的控制下利用不同直径的钻头按相应的工艺参数(钻数、进刀速率、退刀速率)在印制电路板上得到所需的导通孔。

　　在切削过程中，钻床装夹作用钻刀旋转力r，使钻刀与覆铜板材料之间产生相对旋转运动，钻刀主副切刃在材料上形成切削速度。同时，钻床装夹部分作用钻刀向下的进给力F，使得钻刀横刃不断地向下切削覆铜板材料。由于钻刀在材料表面产生高速的r主旋转运动，进给运动F又使切削面不断投入切削，所以钻刀就可以不断地或连续地切除切屑，直到通孔完成，如图1所示。

　　图1 钻刀切削过程

　　2、 刷板、烘板

　　通过机械的方法磨刷覆铜板表面的氧化层，污物等，并使覆铜板表面形成一定的粗糙度。

　　3、 孔金属化工艺及技术

　　孔金属化工艺是印制电路板制造技术中最为重要的工序之一，它关系到多层印制电路板内在的质量的好坏，其主要的工作是在多层印制电路板上钻出所需要的孔、把孔内的钻污去除、在孔壁上沉积上一层导电金属铜，为下一步的电镀加厚铜层打下基础，实现良好的电气互连，孔金属化不好就会造成孔内无铜或者只有很薄的铜，一经测试就造成开路。

　　目前金属化孔主要有三类：埋孔、盲孔和过孔(或通孔)。埋孔是无法从基板外部看出的，孔存在于基板内层，为先钻并镀覆孔后在压合加工完成。盲孔是可以从基板的一个外表面看到的，是先压合再钻孔的没有贯穿基材的孔。过孔可以从基板的两个表面看到的，先压合再钻孔的贯穿基材的孔。在本实验中，主要是制作过孔。

　　为了减少化学镀铜对环境的污染，本实验选用C黑导电悬浮液代替化学镀铜。在涂覆C黑之前，必须要对电路板及电路板孔壁做表面处理。一般将印制电路板放置除油液中10min，除油液在印制电路表面形成一层与C黑电荷相反的电荷层。将带有电荷的印制电路板放置碳黑悬浮液中，碳黑能够很好地吸附在印制电路板的孔壁及表面，从而使得孔内壁具有导电功能。

　　碳黑吸附之后，为在表面进行电镀铜，首先要选择电镀铜液，本实验选择的电镀铜液是属于高分散能力的镀液，其主要配方如下表：

　　表1 电镀铜配方表

　　镀铜溶液的主要成分是硫酸铜和硫酸，在直流电压的作用下，在阴，阳极上发生如下反应：

　　阴极：Cu2+ + 2e → Cu

　　阳极：Cu - 2e → Cu2+

　　在直流情况下电流效率可达98%以上。

　　4、 绘菲林

　　激光光绘机通过激光对含卤化银底版进行扫描产生图形。激光扫描过的地方，卤化银发生分解，生成Ag颗粒。此时形成Ag潜影，为显影做前期准备。

　　5、 胶片显影

　　全自动台式冲洗机，经过光绘后的照相底版形成潜影，潜影经过显影将图形显现出来、定影将图形稳定保存下来，最后经过水洗、烘干获得含有图形的照相底版。

　　6、 贴干膜

　　贴膜机系用于印刷电路板干膜，利用由内而外的加热方式，加热两支压膜滚轮，由两组红外线测温感应器探测压膜轮的表面温度，再由精密电子温度控制器，控制加热器的加热，使得压膜轮外表的温度在压膜过程中能过于稳定，使整个感光膜牢牢的沾附在板上。

　　7、 双面曝光

　　印制电路制作过程中，很重要的一道工序就是用具有一定抗蚀性能的感光树脂涂覆到覆铜板上，然后用光化学反应或“印刷”的方法，把电路底图或照像底版上的电路图形“转印”在覆铜箔板上，这个工艺过程就是“印制电路的图形转移工艺”简称“图形转移”。图形转移后所得到的电路图形分为“正像”和“负像”。

　　用抗蚀剂借助于“光化学法”或“丝网漏印法”把电路图形转移到覆铜箔板上，再用蚀刻的方法去掉没有抗蚀剂保护的铜箔，剩下的就是所需的电路图形，这种电路图形与所需要的电路图形完全一致，称为正像。这种图形转移称为“正像图形转移”。

　　用“丝网漏印法”把抗蚀剂印在覆铜箔板上，没有抗蚀剂保护的铜箔部分是所需的电路图形，抗蚀剂所形成的图形便是“负像”。这种工艺称为“负像图形转移”。

　　在UV光下，感光性树脂在吸收光量子后，引发化学反应，使高分子内部或高分子之间的化学结构发生变化，从而导致感光性高分子的物性发生变化，其化学活性较差。未照射的不发生化学反应，活性不变，发生反应部分化学活性较低，在显影中不去掉，留下设计所需的图形，如下图是曝光的原理：

　　图1 曝光原理图

　　在本实验中，使用的抗蚀刻材料是干膜。抗蚀干膜由聚酯片基、光敏抗蚀胶膜和聚乙烯保护膜三层构成。片基是光敏抗蚀剂胶膜的载体，使抗蚀干膜保持良好的尺寸稳定性，还可保护抗蚀膜不被磨损;光敏抗蚀剂胶膜由具有光敏性抗蚀树脂组成;聚丙烯或聚乙烯薄膜是覆盖在抗蚀胶层另一面的保护层。抗蚀干膜中的光敏抗蚀胶层一般是由感光性齐聚物(或共聚物)、粘合剂、光引发剂、增塑剂、稳定剂、着色剂及溶剂等成分组成。这些感光性齐聚物在没有光照的情况下，易与Na2CO3溶液发生化学反应而溶解。而发生光照后，这些感光性齐聚物开始发生聚合反应，生成聚合度更高的化合物。该聚合物活性降低，不能与Na2CO3发生化学反应而保留并保护线路。如下图所示：

　　图2 曝光后的线路板

　　8、 印制电路板显影

　　显影时使用化学试剂将没有进行光化学反应的部分除去而留下需要保护线路的部分。在显影中，主要使用Na2CO3作为显影液，干膜中未发生光化学反应的与Na2CO3发生反应并溶解在显影液中。具体原理如下图所示：

　　图3 显影工序工作原理

　　图4 显影完后的印制电路板

　　9、 印制电路线路蚀刻

　　在蚀刻过程中，主要是蚀刻液与金属箔之间发生氧化还原化学反应。同时，由于金属箔被附在介质材料上，并有一部分被抗蚀层保护，在蚀刻过程中必然出现侧蚀以及由于侧蚀而带来的“突沿”现象，因此在选择蚀刻液和制定蚀刻工艺时必须考虑如下几个方面的因素：

　　(1)蚀刻液要与抗蚀层材料相匹配。

　　(2)蚀刻速率及其速率的控制能力。

　　(3)蚀刻废液的溶铜量。

　　(4)蚀刻液对设备的影响。

　　(5)蚀刻液的再生与补加，废液的污染等。

　　蚀刻液有许多的种类，最早使用三氯化铁的水溶液为蚀刻液。随着工业的发展，印制电路板的精度和生产自动化程度不断提高，工业生产造成的环境污染以及由此而出现的各种严重后果，迫使人们对工业生产工艺提出了各种方案和措施。由于三氯化铁存在溶液处理及污染等固有的缺点日益暴露出来，从而逐渐被氯化铜、过硫酸盐、过氧化氢-硫酸、氨碱以及其他蚀刻液相继开发并投入使用。

　　由于不产生大量的酸雾，廉价，溶通量大，因此实验室使用的是三氯化铁蚀刻液。三氯化铁蚀刻剂是以它的水溶液形式出现的。其典型配方如下表：

　　表1 三氯化铁蚀刻剂典型配方表

　　在三氯化铁溶液中，必须存在一定量的盐酸，以抑制它的水解反应。

　　在蚀刻过程中，裸露的铜在蚀刻液中，被三氯化铁离子氧化成氯化亚铜，同时被还原成二价离子：

　　FeCl3+ Cu = FeCl2+ CuCl

　　在溶液中，一价铜离子进一步被氧化成二价离子：

　　FeCl3 + CuCl = FeCl2+ CuCl2

　　随着反应的进行，溶液中的二价铜离子逐渐积累并发生铜与铜离子之间的氧化还原反应，生成一价的铜离子：

　　CuCl2 + Cu = Cu2Cl2

　　三氯化铁蚀刻液是靠Fe3+和Cu2+共同完成的。

　　PCB的蚀刻工艺包括两类，一类是静态蚀刻，一类是喷淋蚀刻，喷淋蚀刻又有水平喷淋蚀刻和垂直喷淋蚀刻两类，现在工厂大部分以喷淋蚀刻工艺为主。实验室使用的垂直喷淋蚀刻。

　　垂直喷淋蚀刻是使用夹具将印制电路板垂直放置，然后两边喷嘴开始均匀地喷淋蚀刻液。垂直喷淋蚀刻的优点在于它避免了水平蚀刻的水沟效应及上下板蚀刻不均匀状况。如下图是实验室用喷淋蚀刻机结构：

　　10、 去干膜技术

　　由于干膜力学性能较差，在后续过程中容易脱落。因此，线路蚀刻完成后必须将干膜去掉。去膜采用1%-2%的氢氧化钠溶液，温度20-30℃，强碱能够破坏已曝光的干膜，使干膜溶解。

　　实验室中使用的脱干膜设备与蚀刻设备结构相似，只是内部材料使用不一致，如图1所示。实验室使用氢氧化钠强碱在去膜区(11)将该干膜去掉。在去干膜过程中使用的是循环去干膜的方法。

　　11、 线路阻焊技术

　　由于铜是非常容易氧化的金属，因此，干膜去掉后，必须使用阻焊剂将线路保护起来。一般阻焊剂有两类，一类是挠性板上用PI覆盖膜阻焊材料，该材料不需要固化，只需要在将覆盖膜贴上去之后进行快压;另一类是大部分刚性板使用绿油阻焊剂。

　　绿油阻焊剂首先要将绿油油墨与固化剂进行混合，然后将阻焊剂印刷到线路板上，阻焊剂经过一段时间流延，短时间固化，在曝光机中曝光、显影得到需要阻焊的图形。阻焊剂此时固化度不够，需要在高温，长时间下固化，才能有较强的防腐防摩擦等性能。

　　印制电路制作过程中，很重要的一道工序就是用具有一定抗蚀性能的感光树脂涂覆到覆铜板上，然后用光化学反应或“印刷”的方法，把电路底图或照像底版上的电路图形“转印”在覆铜箔板上，这个工艺过程就是“印制电路的图形转移工艺”简称“图形转移”。图形转移后所得到的电路图形分为“正像”和“负像”。

　　用抗蚀剂借助于“光化学法”或“丝网漏印法”把电路图形转移到覆铜箔板上，再用蚀刻的方法去掉没有抗蚀剂保护的铜箔，剩下的就是所需的电路图形，这种电路图形与所需要的电路图形完全一致，称为正像。这种图形转移称为“正像图形转移”。

　　用“丝网漏印法”把抗蚀剂印在覆铜箔板上，没有抗蚀剂保护的铜箔部分是所需的电路图形，抗蚀剂所形成的图形便是“负像”。这种工艺称为“负像图形转移”。

　　在本实验中，使用的抗蚀刻材料是干膜。抗蚀干膜由聚酯片基、光敏抗蚀胶膜和聚乙烯保护膜三层构成。片基是光敏抗蚀剂胶膜的载体，使抗蚀干膜保持良好的尺寸稳定性，还可保护抗蚀膜不被磨损;光敏抗蚀剂胶膜由具有光敏性抗蚀树脂组成;聚丙烯或聚乙烯薄膜是覆盖在抗蚀胶层另一面的保护层。抗蚀干膜中的光敏抗蚀胶层一般是由感光性齐聚物(或共聚物)、粘合剂、光引发剂、增塑剂、稳定剂、着色剂及溶剂等成分组成。这些感光性齐聚物在没有光照的情况下，易与Na2CO3溶液发生化学反应而溶解。而发生光照后，这些感光性齐聚物开始发生聚合反应，生成聚合度更高的化合物。该聚合物活性降低，不能与Na2CO3发生化学反应而保留并保护线路。

　　12、 电镀镍金

　　首先露盘进行微蚀，目的是提高镍与铜的结合力;然后在镀上一层镍，目的是防止铜与金之间的渗透;最后镀上一层金，以提高焊接性能、接插件次数等。

　　13、 切外型

　　通过CircuitCAM软件将数据转换成Easy Quick  H100外形加工的数据。数据通过DKJMaster软件将数据传至刻板机，并对其进行数据控制。刻板机通过数控可以实现钻孔、铣外形、刻板等功能。