酸性蚀刻速率的影响研究

近年来,随着微波技术的发展,多功能轻型化天线系统中使用的微带线路板逐渐增多,常用的微带线路板一般采用聚四氟乙烯覆铜板,单面或双面上走各种频率微波带线,由于直接影响到频率变化。因此,微带线路板加工过程中对带线尺寸精度控制要求比较严,这就给工艺提出了新的问题,对微带精密蚀刻技术进行较深入地研究十分必要。

1 引言

近年来,随着微波技术的发展,多功能轻型化天线系统中使用的微带线路板逐渐增多,常用的微带线路板一般采用聚四氟乙烯覆铜板,单面或双面上走各种频率微波带线,由于直接影响到频率变化。因此,微带线路板加工过程中对带线尺寸精度控制要求比较严,这就给工艺提出了新的问题,对微带精密蚀刻技术进行较深入地研究十分必要。

蚀刻是利用化学反应方法将线路板显影区域的露铜剥离形成所需电路图形的过程。酸性CuCl2蚀刻液是一种常见的用于抗蚀剂为抗蚀干膜、抗蚀印料、液态感光印料、金镀层的蚀刻药水。

2 实验

2.1 实验原料

单面覆铜板,深圳市德晶宇阳电子有限公司;盐酸,分析纯,深圳市鼎庆化工有限公司;无水氯化铜,分析纯,上海国药集团;氯酸钠,分析纯,上海埃彼化学试剂有限公司;苯并三氮唑,分析纯,上海埃彼化学试剂有限公司;氨基磺酸,分析纯,上海埃彼化学试剂有限公司;氯化铵,分析纯,青岛雅各化学试剂销售有限公司等。

2.2 实验仪器

TE214S电子天平,赛伯乐(上海)仪器有限公司;DHG-9025A型恒温干燥箱,上海和呈仪器制造有限公司等。

2.3 实验方法

2.3.1 酸性蚀刻工艺方法

单面覆铜板-清洗-检查-酸性蚀刻-水洗-酸洗-水洗-吹干-称重

2.3.2 添加剂的配制

称取0.1g苯并三氮唑,1.0g氨基磺酸,10.gNH4Cl,加入至100ml烧杯中,用去离子水定容至100ml,在25℃下,搅拌均匀即可。

2.4 外观检查分析

对蚀刻试样进行外观检验,观察蚀刻表面均匀性,是否存在突沿,蚀刻是否完全等现象。

3 结果与讨论

3.1 工艺参数对蚀刻速率的影响

3.1.1 氯化铜浓度对蚀刻速率的影响

选取盐酸浓度2.0mol/L,氯化钾浓度14g/L,氯酸钠20g/L,添加剂浓度为14g/L,操作温度为50℃,改变氯化铜浓度。考察了不同氯化铜浓度对蚀刻速率的影响,影响结果如图1所示。

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                                                      图1 氯化铜浓度对蚀刻速率的影响

从图1中可知,当氯化铜质量浓度小于200g/L时,蚀刻速率随浓度增加而急剧增大;当氯化铜质量浓度为200g/L时,蚀刻速率出现最大值,为14.42μm/min;随着氯化铜质量浓度的进一步增加,刻蚀速率先有所降低。因此,最佳氯化铜质量浓度为200g/L左右。

3.1.2 Cu+浓度对蚀刻速率的影响

选取氯化铜浓度为200g/L,盐酸浓度2.0mol/L,氯化钾浓度14g/L,氯酸钠20g/L,添加剂浓度为14g/L,操作温度为50℃。考察了不同Cu+浓度对蚀刻速率的影响,影响结果如图2所示。

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                                                          图2 Cu+浓度对蚀刻速率的影响

根据蚀刻反应,铜的蚀刻就会形成一价铜离子,这会显著地降低蚀刻速率。所以,在蚀刻操作中要保持Cu+的含量在一个低的范围内,并要尽可能快地使其重新氧化成Cu2+。

3.1.3 HCl浓度对蚀刻速率的影响

选取氯化铜浓度为200g/L,氯化钾浓度14g/L,氯酸钠20g/L,添加剂浓度为14g/L,操作温度为50℃,改变盐酸浓度。考察了不同HCl浓度对蚀刻速率的影响,影响结果如图3所示。
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                 图3 HCl浓度对蚀刻速率的影响

在氯化铜蚀刻液中Cu2+和Cu+实际上都是以络合离子的形式存在。铜离子由于具有不完全的d轨道电子壳,所以它是一个很好的络合物形成体。一般情况下,可形成4个配位键。当溶液中含有较多的Cl-时,Cu2+是以[CuCl4]2-络离子存在,Cu+是以[CuCl3]2-络离子存在。当盐酸浓度升高时,蚀刻时间减少,并且能够提高溶铜量。但是,盐酸浓度不可太高,否则加大的酸雾不仅影响环境而且对设备腐蚀破坏也加大了,并且随着酸浓度的增加,氯化铜的溶解度迅速降低。

3.1.4 添加剂浓度对蚀刻速率的影响

选取氯化铜浓度为200g/L,盐酸浓度2.0mol/L,氯化钾浓度14g/L,氯酸钠20g/L,操作温度为50℃,改变添加剂浓度。考察了不同添加剂浓度对蚀刻速率的影响,影响结果如图4所示。
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                                                      图4 添加剂浓度对蚀刻速率的影响

由图4可知,随着添加剂浓度的增加,蚀刻速率与添加剂浓度呈线性关系。当添加剂浓度为10g/L时,蚀刻速率约为13.75μm/min,当添加剂浓度为14g/L时,蚀刻速率为14.41μm/min,当添加剂浓度增至,18g/L时,蚀刻速率可提高到16.32μm/min。但添加剂浓度过高,一方面,添加剂在试样表面结晶,残留物增多,影响试样外观;另一方面,蚀刻液的成本会有所上升。因此,不能一味地增加添加剂的浓度。综合考虑之下,添加剂的浓度控制在10-18g/L即可。

3.1.5 温度对蚀刻速率的影响

选取氯化铜浓度为200g/L,盐酸浓度2.0mol/L,氯化钾浓度14g/L,氯酸钠20g/L,添加剂浓度为14g/L,改变温度。考察了不同温度对蚀刻速率的影响,影响结果如图5所示。
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                                                           图5 温度对蚀刻速率的影响

随着温度的升高,蚀刻速率加快,但是,温度也不宜过高,一般控制在50℃左右。温度太高会引起HCl过多地挥发,造成溶液组份比例失调。另外,如果蚀刻液温度过高,抗蚀层容易损坏。

3.2 外观检查分析

通过对蚀刻试样进行外观检验,测试结果表明蚀刻表面均匀性好,不存在突沿,蚀刻完全。

4 结论

(1)酸性蚀刻液的最佳配方为:氯化铜质量浓度200g/L,盐酸浓度1.5-2.5 mol/L,氯酸钠20g/L,氯化钾浓度10-18g/L,添加剂浓度为14g/L。

(2)操作温度50℃左右。

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