干膜Sludge对膜碎开路缺口的影响及改善

   摘要:在印制电路板生产工艺中,干膜对于制造细密线路、提高生产率、简化工序、改善产品质量等方面起到了其它光致抗蚀剂所起不到的作用,但在生产中由于干膜显影后所产生的垃圾,对生产板的品质有着直接重大的影响。本文结合生产中的一些实际问题,针对因干膜sludge造成的膜碎开路缺口进行综述与改善,最终将ODF工序的膜碎开路缺口报废率和PONC 降到目标以内。

  关键词:外层干膜 干膜sludge 开路缺口 黄色物质 PONC(不合格品的代价)

  1.前言

  随着电子产品迅速向高频化、高速数字化、便携化和多功能化的发展,对PCB基板的线宽、线隙要求也越来越小,而业界仍主要采用经过图形电镀加工的方法生产基板,膜碎开路缺口一直是影响外层整体报废的主要缺陷,见以下ODF各缺陷报废率比例图(图1)及开路缺口报废率数据(图2):

2009091616361573499 干膜Sludge对膜碎开路缺口的影响及改善

2009091616362273499 干膜Sludge对膜碎开路缺口的影响及改善

  从上述图表可以看出对于我司内部来讲,外层干膜工序的总报废主要受膜碎开路缺口报废率影响;对于我司外部客户来讲,干膜sludge造成的线路开路缺口有时会残留很薄的一层底铜但导通,电子测试是测不出来的,此不仅影响了基板的外观而且可能会影响最终产品的电气性能,因此存在客户投诉的风险。

  本文围绕改善干膜sludge造成的开路缺口做了简单的分析,并列出了我司针对该项目的各种改善措施及监控方法。希望与同行一起探讨起到抛砖引玉的效果。

  2. 外层干膜膜碎开路缺口的成因

  2.1 理论分析:

  对于碱性蚀刻工艺,造成开路缺口问题的原因多种多样,以下是外层工序造成开路缺口的鱼骨图(如下图3所示):

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  在以上影响因素中,通过生产跟进及理论分析,初步认为产生膜碎开路缺口影响较大的因素为显影参数、药水、干膜及相关物料、显影线保养不彻底等等(见上图蓝色字体所示),鉴于上述分析,着重干膜显影垃圾对开路缺口的影响,下面通过大量模拟试验进一步验证。

  2.2 缺陷表观图片及切片分析

  通过大量的问题板表观分析以及从客户投诉板进行切片分析,可以确定外层干膜图电工艺所产生的膜碎开路缺口主要为板面膜碎导致图电阻镀,或干膜残胶造成缺口,客户在使用时线路断裂开路,直接影响电子产品的电气性能。

  2.2.1 外层干膜主要开路缺口形式如下(见图4):

  2009091616363773499 干膜Sludge对膜碎开路缺口的影响及改善

  根据以上表观图片分析,开路缺口的形态主要有以上三种类型,下面我们就无规则、多点型开路缺口产生的原因,进行了一系列的模拟试验。

  3. 实验设计及实验结果

  本次实验主要针对因干膜显影产生的浮渣、残胶引发的开路缺口进行研究,并根据这些干膜sludge对实际生产线造成的影响,展开了相应的改善措施,跟进评估其效果。

  3.1 干膜残胶、黄色物质理论分析及跟进试验

  3.1.1 背景

  自2007年中旬我司将外层45μm干膜更换厂家类型后,外层两条显影线一直是将不同厂家的多种类型干膜混冲,而后两条显影线显影缸内壁、管道、喷嘴等出现黄色物质累积(见下图5),且一般酸碱保养无法清除此黄色物质,因喷嘴和管道有不同程度的堵塞,导致喷淋压力不足,生产线情况逐渐恶化。

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  3.1.2 实验内容

  3.1.2.1 实验设计及结果

试验流程 过程参数及注意事项
开料 双面试板/ 生产板
干膜 根据以下相应试验条件进行生产
图形电镀 结合以下试验条件,正常参数生产
蚀刻 正常参数生产
检测 人工目视检板,用万用表电阻档测量线路的导通性,并记录测试结果。
实验设计
实验分组 评估因素、参数 试验条件 试板数量 试验结果 备注
1 干膜显影残胶对开路的影响 从显影缸内取少量未溶解残胶, 涂抹于显影后板面线路上,正常图电、蚀刻 2 Pcs 线路出现开路缺口现象 断口形态无规则,呈多点分布
2 显影缸内黄色颗粒对开路的影响 从显影缸内取少量黄色物质,涂抹于显影后板面线路上,正常图电、蚀刻 2 Pcs 线路出现开路缺口现象 线路呈点状断开,且断口规则, 多点分布
总结 证明干膜显影未溶解的残胶和显影后所产生的黄色颗粒,反沾于板面都会导致线路开路缺口。

  小结:干膜显影残胶和显影缸内黄色物质若反沾于板面均会导致开路缺口,且普遍为多点分布

  3.1.2.2 干膜sludge产生因素实验评估

  为更一步贴切实际生产情况,查找显影机内蓝色残胶、黄色物质产生的来源,评估干膜混冲、干膜与消泡剂之间是否会产生胶状或黄色物质,进行了烧杯试验,观察显影溶液中溶解物沉淀状况(蓝色粘稠状杂物)具体试验如下:

  1)配置一定量的1%的Na2CO3溶液,单独溶解4ft2干膜A、B,及A、B 两种干膜混合不加消泡剂和加消泡剂加入2ft2面积的干膜,进行溶解过滤,图片如下(见图7):

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  2)配置1%体积的显影溶液,选取一定面积的不同类型干膜并添加消泡剂进行烧杯溶解过滤试验,图片结果如下(见图8):

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  3)取生产一个班的正常添加消泡剂的显影液使用滤纸进行过滤,图片如下(见图9):

2009091616372373499 干膜Sludge对膜碎开路缺口的影响及改善

  结论:只要不添加消泡剂,单种或多种干膜溶解均不会产生蓝色粘稠状胶污;若添加消泡剂,所有干膜溶解后均会产生蓝色粘稠状胶污,而A干膜单独溶解并添加消泡剂产生蓝色粘稠状杂物较为严重(见上述图片),可见此干膜与消泡剂的匹配性更差,更易于产生蓝色粘稠状胶污;所以,为尽量减少这种蓝色粘稠状胶污,建议不要将消泡剂加在显影缸内,在溢流口处添加起到消泡效果即可。

  3.1.2.3 黄色物质EDX分析

分析物质 干膜A(未显影) 干膜B(未显影) 黄色物质
元素C K O K S K Cl K 总量 重量百分比66.31 32.75 0.60 0.34 100.00 原子百分比72.68 26.95 0.24 0.13 元素C K O K Cl K 总量 重量百分比63.39 35.36 1.25 100.00 原子百分比70.16 29.38 0.47 元素Na K Cl K 总量 重量百分比10.42 89.58 100.00 原子百分比15.21 84.79
备注 干膜A 主要成分除C、O 外,还含有S 、Cl 元素。 干膜B 主要成分除C 、O外,还含有Cl 元素。 黄色物质主要成分为Na 和Cl,其中Cl 元素含量很高,而工序主要所使用的两种干膜均含有Cl 元素。

  3.1.2.4 理论分析:经以上烧杯实验发现,干膜与消泡剂的匹配性是影响蓝色粘稠状胶污产生的一个因素,但实验中并未发现有类似显影缸内的黄色物质产生。从而我们追溯到干膜显影原理如下图所示(图11),显影机理是感光膜中未曝光部分的活性基团与稀碱溶液反应生成可溶物质而溶解下来,显影时活性基团羧基—COOH 与无水碳酸钠溶液中的Na+作用,生成亲水性集团—COONa。从而把未曝光的部分溶解下来,而曝光部分的干膜不被溶胀。当显影液中碳酸钠不断的被消耗,药液溶膜量超标时,就会出现板面未曝光干膜显影不净或显影缸内出现干膜胶渍。若溶有干膜的显影药液浓度和温度过高时,会导致显影液中胶束被破坏产生浮渣、沉淀物。

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  经日本干膜研发技术人员表述,显影缸内累积的黄色物质是干膜组成中光引发剂的一种成分,根据不同干膜的特性及配制方法不同,有些类型干膜的光引发剂中就含有这种物质。当未曝光的干膜显影后,此物质就如同一种干膜残渣在显影缸内沉积。一方面,当不同厂家且均含有这种成分的干膜显影混冲时,会加速此黄色物质的析出。另一方面,当显影液loading 超标时(40μm干膜loading为0.25,45μm干膜loading为0.22,50μm干膜loading为0.20),也会加速黄色物质的析出。

  3.1.2.5 评估调整显影线补充水流量对显影液浓度、Loading及显影点的影响

  1)调整1#显影线补充水流量,显影浓度、溶膜量及显影点测试如下表12:

  2)调整1#显影线补充水流量,显影液浓度与溶膜量的变化趋势图如下图13:

  2009091616373873499 干膜Sludge对膜碎开路缺口的影响及改善

  小结:

  (1)通过电导率仪对显影液浓度进行控制,显影液浓度一直在控制范围内,比较稳定;

  (2)显影补充水流量由6L/min调整为3L/min后,溶膜量有超标情况出现,开缸3h后溶膜量已接近上限。

  (3)显影补充水流量由3L/min调整为4.5L/min后,溶膜量下降至要求值0.2m2/L范围且趋于稳定。

  3)以调整显影补充水流量至3L/min后为例,分析溶膜量与显影点之间的辩证关系(其他条件不变)具体变化趋势见图14;

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  总结:

  (1)通过电导率仪对显影液浓度进行控制,显影液浓度一直在控制范围内,比较稳定,与溶膜量无直接影响关系。

  (2)由上图可明显看出,显影点与溶膜量有直接的对应关系,溶膜量超标直接影响显影点测试的不合格。因此,溶膜量也是影响显影点的主要因素之一。

  (3)显影补充水流量的调整直接影响到显影药水的负载量和实际生产过程中的显影点。显影补充水流量越大,显影药水越新鲜,溶膜量越小,相继显影点也随之变小。反之,溶膜量则变大,显影点也变大。

3.1.3 改善措施及效果跟进

  3.1.3.1 改善方法

  针对以上试验结果,我们从控制干膜残胶和黄色物质的产生,及显影缸保养方法两个方面着手改善对膜碎开路缺口的影响。具体措施如下表15:

序号 改善项目 方法 效果
1 黄色物质的产生 使用供应商推荐的一种配合干膜研制的无硅消泡剂A,在1#显影机缸内添加0.5%,可溶解因干膜显影后产生的垃圾 无效果,且消泡效果差,泡沫频繁涌出溢流槽。
使用供应商推荐的一种配合干膜研制的含硅消泡剂B,在1#显影机缸内添加0.5%,可溶解因干膜显影后产生的垃圾 无效果,且消泡效果差,导致显影缸内泡沫太多显影喷淋压力太低跳闸。
对于不同厂家的干膜板分线显影 黄色物质产生较少
增加1#显影线显影补充液添加量,保持显影药水loading达标 黄色物质产生较少,累积速度明显变慢。
2 显影缸的保养,清除缸内黄色物质 醋酸(30%浓度)+硫酸保养清洗,醋酸:甲酸:水的体积比为6:3:1 醋酸+硫酸保养后,黄色物质无减少,滤纱上有大量蓝色胶状物析出
两次醋酸(30% 浓度)+甲酸保养清洗,醋酸:甲酸:水的体积比为6:3:1 两次醋酸+甲酸保养后,黄色物质无减少, 滤纱上有
大量蓝色胶状物析出
使用二氯甲烷擦拭显影缸内壁、传送、压辘和喷嘴等 二氯甲烷擦洗能有效的去除黄色物质,但效率太低,对部分设备配件具有强烈的腐蚀性,且死角区域难以得到擦洗。
常温下使用99.9%冰醋酸循环清洗显影缸 显影缸内表面黄色物质全部清除干净,操作过程中添加/抽回药液使用自动抽液泵,设备密封好,在保养过程气味不大, 操作方便

  小结:

  (1)使用醋酸(30%浓度)+硫酸/甲酸的保养方法对去除黄色物质无明显效果;

  (2)使用二氯甲烷擦洗能有效去除黄色物质,但效率低,难以清洗到管道内部及死角位置,且二氯甲烷有强毒性和腐蚀性,可操作性不强。

  (3)使用纯冰醋酸清洗去除显影缸黄色物质和干膜胶渣效果明显,且纯冰醋酸可重复使用2-3次(保证冰醋酸浓度达90% 以上有效),一定程度上可节约成本。

  (4)通过调整显影补充液添加量,同时对于不同厂家的干膜板分线显影,使显影药液loading基本稳定控制在要求范围内,可以减少黄色物质的产生。

  3.1.3.2 保养后效果跟进1)溶膜量跟进结果(见下图16)

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  备注:从以上数据来看,补充水流量为6.0L/min(原3.5 L/min),将换缸频率改为1次/12H 后,溶膜量呈上升趋势,在0.11-0.20m2/L 之间波动;从实际生产分析,11/08 日白班1# 显影线批量生产面积较大板(如#632012 、#2H2003 、#7A5012 、#6B5001等整板面积约为3FT2左右),相应溶膜量较大,所以初步判断白班与晚班所测溶膜量的趋势差异与实际生产板溶膜面积有一定关系。

  附件:供应商提供溶膜量测试及计算方法(见下图17):

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  2)显影缸状况跟进结果(每2小时拍摄一次)(2007/11/08-2007/11/09)

  a. 喷淋泵压力跟进情况:

  从以下数据来看,各喷淋压力均较稳定,详见以下图表18:

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  具体仪表显示见下表19:

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  b.过滤网、过滤棉芯及喷嘴跟进情况:过滤网上黄色物质仍有增加现象,但过滤棉芯上无明显黄色物质残留,喷嘴上亦无明显变化,

  详见下图表20:

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  小结:通过以上措施的实施,显影缸内、过滤网及过滤棉芯上黄色物质有所减少,每周保养检查喷嘴没有出现大量堵塞现象,喷淋压力均较稳定。从而可以看出,增大显影药水的补充量,减小显影液loading,对于黄色物质有明显的改善.

  3.1.4 结论

  基于以上试验的分析及改善措施的实施,对于不同厂商/类型的干膜最好分线生产,若生产线无法满足此条件,可以通过调整显影补充液添加量或换缸频率保证显影液溶膜量达到要求,从而控制干膜显影垃圾的大量产生。针对以上所述干膜显影垃圾的清洗方法,我们建议在设备条件允许、车间抽风系统较好的条件下,使用纯冰醋酸保养不失为一个好方法。

  4. 监控方法及改善效果评价

  通过以上试验的验证,我们对于干膜显影垃圾导致开路缺口的关键点进行总结,并提出了相应的改善对策,跟进改善后的效果。

  1) 膜碎开路缺口控制方法(见表21),改善效果请参考以下ODF 膜碎开路缺口数据变化趋势图(图22)

序号 关键点 改善/预防措施 改善效果
1 显影药水的监控 A. 11/25 将1#显影线显影缸补充水流量正式由3.5L/min 调整为6.0L/min;B. 定期监控显影药液浓度、loading 及喷嘴、过滤网上黄色物质的析出情况 黄色物质析出量有明显减少; 显影浓度及loading稳定在要求控制范围内
2 试验二氯甲烷保养方法 C. 3/1 日使用二氯甲烷擦拭1#显影机缸内壁、传送、喷嘴等 黄色物质擦洗干净,但缸内死角区域无法擦拭干净
3 每周维持正常酸碱保养,每8 周使用纯冰醋酸进行大保养 D. 3/15 日在1#显影线进行纯冰醋酸保养,定期检查喷嘴、过滤网和过滤棉芯的情况 喷嘴无堵塞,黄色物质累积速度较慢,显影缸内比较干净
4 不同厂家干膜分线显影 E. 3/18 日将我司外层所使用最多的两家供应商干膜板分线显影 黄色物质有明显的改善

  2)改善效果:我们选取整个ODF膜碎开路缺口率改善前后的对比图(图22),从图表上可以看出对开路缺口报废率的改善效果与措施之间的关系。2007年48周至2008年15周ODF膜碎开路缺口数据变化趋势见下图22:

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  说明: 第6周至9周所出现膜碎开路缺口报废数据的异常超标,是因为长时间显影缸内累积了大量的黄色物质和残胶一直没有去除,虽然通过调整显影补充液的添加来控制黄色物质的析出速度,但前期残留在显影缸内的干膜垃圾在不断的累积,当积累到一定程度上它们对生产线的影响就爆发出来。

  5. 结论

  干膜显影垃圾主要是残胶和干膜成分中的一种黄色物质,它们沾于板面直接造成图电工艺生产板线路开路缺口,这种缺陷对于外层线路来说是致命的,不可修复的。通过调整显影液添加量,保持显影药水loading的稳定达标,配合有效的纯冰醋酸保养方法,合理化的将不同类型干膜板分线显影可以较好的改善外层膜碎开路缺口。

  6. 结束语

  通过对干膜残胶和黄色物质的持续跟进改善,外层干膜工序膜碎开路缺陷率由原来平均0.611%下降到0.30%,这些成绩是和公司管理层的关注、员工的努力、工序主管、工程师的持续跟进分不开的,在此非常感谢外层干膜FMEA 小组、以及各阶同仁给予的支持和协作!

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