化學(xué)蝕刻過(guò)程

James Hall

Chemcut Corporation 研發(fā)部工藝技術(shù)人員

簡(jiǎn)介

工藝開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)完成了項(xiàng)目的試驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE后，確信已經(jīng)為量產(chǎn)作好了準(zhǔn)備；產(chǎn)線員工為這個(gè)項(xiàng)目騰出了空間；制造團(tuán)隊(duì)甚至為實(shí)施該項(xiàng)目新建了廠房；市場(chǎng)銷售人員按要求準(zhǔn)備好了報(bào)價(jià)文件，甚至已經(jīng)有了第一個(gè)客戶；高層為該項(xiàng)目開(kāi)了綠燈。現(xiàn)在是時(shí)候該決定采用什么方法來(lái)制造你的產(chǎn)品了。簡(jiǎn)言之，該購(gòu)買設(shè)備了。

第一步

你需要從哪開(kāi)始著手？同樣重要的是，從現(xiàn)在起，為了2年、5年或10年后持續(xù)按照計(jì)劃批量制造高質(zhì)量的產(chǎn)品，你將需要什么？你將是為他人代工還是為自己生產(chǎn)？你的產(chǎn)品可能具有不同的尺寸，或是采用剛性板，或是采用撓性板。也許你已簽訂了一份合同，每月要生產(chǎn)10萬(wàn)塊一樣的電路板。

你對(duì)這些問(wèn)題的評(píng)判越精確，你就會(huì)對(duì)設(shè)備選型有更成熟的想法；也會(huì)幫助你了解要在工藝中的哪些點(diǎn)完成對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量檢查。你可配置一個(gè)集成的系統(tǒng)，只檢查成品；或者，如有必要，仔細(xì)評(píng)估每個(gè)工序的結(jié)果。例如，如果你不太熟悉顯影-蝕刻-剝離（DES）工藝，起初為每道工序設(shè)定分離的加工線或許是更好的選擇。

圖1：有蝕刻（或其他工藝）、漂洗和烘干模塊的單一工藝生產(chǎn)線

通常，與單個(gè)工藝生產(chǎn)線相比，組合有多個(gè)工藝工序的系統(tǒng)占地面積較小；如果空間緊張，更適合采取這個(gè)決策。與為每個(gè)工藝購(gòu)買單獨(dú)的設(shè)備相比，還可以節(jié)約成本。

物理參數(shù)

作為設(shè)備選擇流程的一部分，你需要了解產(chǎn)品生產(chǎn)線的物理尺寸。對(duì)于PCB制造，銅重量是主要考慮因素，制板尺寸也是考慮因素之一。重量是指基板上銅的厚度，通常以盎司、mil、mm為單位。1盎司厚度=1.39 mil=35 mm。

通常，業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)線都是在水平傳送的設(shè)備上進(jìn)行的，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)每道化學(xué)工藝，經(jīng)漂洗后，進(jìn)入下一道化學(xué)工藝。完成最終的漂洗后，采用某種空吸或強(qiáng)制通風(fēng)干燥機(jī)交付出干燥的產(chǎn)品，為檢驗(yàn)、包裝，或轉(zhuǎn)移到下一道工藝做好準(zhǔn)備。

采用這種系統(tǒng)，多數(shù)在制板被浸入到工藝化學(xué)溶液中，或是用化學(xué)溶液噴射在制板的一面或兩面，所以另一個(gè)需要考慮的重要因素是在制板的面積（單位：英寸×英寸、mm×mm）。傳輸帶的寬度最窄為15英寸，最寬為80英寸，最常見(jiàn)的寬度為20英寸和30英寸。多級(jí)工藝生產(chǎn)線的整體長(zhǎng)度主要取決于最關(guān)鍵工藝所需的接觸時(shí)間，以及每個(gè)班次的生產(chǎn)量。蝕刻通常是多數(shù)應(yīng)用中該項(xiàng)決策的核心點(diǎn)。只要知道了蝕刻時(shí)間和工件量要求，也就確定了生產(chǎn)線的長(zhǎng)度。

這種水平傳輸帶也非常適合于卷對(duì)卷加工，在工藝的起點(diǎn)，待加工的產(chǎn)品從供應(yīng)軸上繞下，在出口再繞到卷取軸上。產(chǎn)品的類型和復(fù)雜度決定了是否需要重繞設(shè)備。

化學(xué)成分類型與設(shè)備的兼容性

顯然設(shè)備必須能夠連續(xù)使用幾年。首先需要考慮的因素是化學(xué)成分與材料的兼容性。設(shè)備生產(chǎn)商對(duì)于很多材料已經(jīng)非常了解。例如，如果用氯化基蝕刻劑進(jìn)行蝕刻，不銹鋼就是較差的選擇，因?yàn)槁然锪⒖叹湍芙到獠讳P鋼的表面，慢慢地（或很快地）破壞所有的緊固件！因此，通常會(huì)采用鈦緊固件，外殼或其他接觸表面必須用非活性材料，如聚氯乙烯（PVC）或聚丙烯（PP）。也可采用其他材料。

相反，對(duì)于多數(shù)抗蝕劑剝離化學(xué)物質(zhì)，不銹鋼是不錯(cuò)的選擇。PP也可用于剝離；它對(duì)熱量的限制低于不銹鋼，但它有其他優(yōu)點(diǎn)。包括極強(qiáng)的耐化學(xué)性（如果采用氯化物蝕刻劑，耐化學(xué)性是非常好的特性），具有高硬度的低密度（重量輕），更低的材料與組裝成本，可有各種不同的顏色。

如計(jì)劃采用業(yè)界不太熟知的化學(xué)工藝，這是非常重要的考慮因素，如具有未知有機(jī)物或其他“秘密成分”或未知酸性化合物的專利產(chǎn)品，當(dāng)指定結(jié)構(gòu)材料時(shí)，了解化學(xué)兼容性非常關(guān)鍵。最好通過(guò)幾種浸入測(cè)試方法，測(cè)試考慮采用的結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)接觸。在預(yù)期的作業(yè)溫度下，在測(cè)試臺(tái)上采用準(zhǔn)確的工藝化學(xué)物質(zhì)測(cè)試一個(gè)月，是好的開(kāi)始。

其次，多數(shù)常用的蝕刻劑、清洗劑和剝離劑，以及他們與結(jié)構(gòu)材料的兼容性都是行業(yè)所熟知的；對(duì)于某些不常見(jiàn)的材料，最好咨詢化學(xué)物質(zhì)供應(yīng)商和設(shè)備供應(yīng)商，以防止可能發(fā)生的危險(xiǎn)錯(cuò)誤。在供應(yīng)商開(kāi)發(fā)試驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試不同的設(shè)備配置，進(jìn)一步確認(rèn)工藝，可能非常有助于采購(gòu)決策。

供應(yīng)商在售前及售后所提供的支持也有助于你的采購(gòu)決策。進(jìn)入及使用他們的實(shí)驗(yàn)室，以及是否愿意加工樣品，也是他們對(duì)你獲得成功的承諾指標(biāo)。

可靠性和可維護(hù)性

沒(méi)有人喜歡意外停機(jī)。如果你想要新投資的設(shè)備運(yùn)行盡可能長(zhǎng)的時(shí)間，在其服務(wù)期內(nèi)每小時(shí)都能夠生產(chǎn)出最佳的產(chǎn)品，清潔及預(yù)防性維護(hù)是非常必要的。所以需要考慮在生產(chǎn)計(jì)劃中為月維護(hù)或年度維護(hù)安排時(shí)間。

為維護(hù)安排多少時(shí)間，設(shè)備設(shè)計(jì)起著很重要的作用。雇傭機(jī)械工程師保養(yǎng)生產(chǎn)線并不是必要的。事實(shí)上，很多最常見(jiàn)的清潔或更換部件，不需要工具就可以完成，最多使用扳手或螺絲刀。如果清潔時(shí)，拆除部件太難，或更換易損件太難，就在意外停機(jī)時(shí)再拆除或更換部件。

所選的供應(yīng)商應(yīng)該展示清潔或維護(hù)設(shè)備有多容易。此外，能夠當(dāng)日發(fā)出配件的供應(yīng)商，以及派出專業(yè)維修人員到工廠（無(wú)論工廠在世界的何地），你都應(yīng)該認(rèn)真考慮他們的專業(yè)精神。

工廠

小型單獨(dú)的工藝生產(chǎn)線（如圖1所示）可能不會(huì)對(duì)工廠的設(shè)施產(chǎn)生過(guò)度的壓力，但大的生產(chǎn)線則有要求規(guī)劃電氣需求、冷卻水容量、壓縮氣需求、用來(lái)漂洗的自來(lái)水（可能需要去離子）需求及通風(fēng)。在確定設(shè)備的布局后，有經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商就會(huì)對(duì)這些要求提出好的想法。但是，確認(rèn)所有這些必要設(shè)施的責(zé)任是使這些設(shè)備的安裝點(diǎn)靠近終端用戶。

大的公司通常會(huì)有內(nèi)部工廠人員安裝或擴(kuò)展必要的生產(chǎn)線，但如果沒(méi)有，利用可靠的電氣或機(jī)械合同商是必要的。例如，有個(gè)工廠就出現(xiàn)了錯(cuò)誤，他們只考慮了不同的電壓208V、220V、 240V、460V、480V、單相或三相，這些都是美國(guó)常見(jiàn)的。而國(guó)際上，常見(jiàn)的是兩種不同的電壓及頻率：50 Hz和 60 Hz。三相在工業(yè)設(shè)置中最常見(jiàn)，但不是每個(gè)公司都有。

在安裝設(shè)備前，必須知道電壓、頻率和相。最后你需要知道當(dāng)?shù)卣沫h(huán)境要求。如果工廠增加了新工藝，或后續(xù)改變了現(xiàn)有工藝，廢水處理系統(tǒng)可能就不是可選的，而是要求必備的。設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)該能夠幫助你做到達(dá)標(biāo)排放。

明年的展望

新生產(chǎn)線開(kāi)始運(yùn)行一年后，你勉強(qiáng)能趕上需求。已經(jīng)增加了班次，操作員已經(jīng)想辦法使產(chǎn)量最大化，市場(chǎng)顯示沒(méi)有下滑的趨勢(shì)。所以高層已經(jīng)準(zhǔn)備好批準(zhǔn)進(jìn)一步的投資。如果公司股東對(duì)你一直努力的結(jié)果很滿意，可能很容易就做出采購(gòu)第二條生產(chǎn)線的決定，它基本上和已經(jīng)在運(yùn)行的第一條生產(chǎn)線一樣。

但是，也許你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了瓶頸，制程中的工作在完成之前有可能造成堵塞。在很多情況下，如果原來(lái)采購(gòu)的設(shè)備是模塊化的，很可能需要重新配置現(xiàn)有的生產(chǎn)線。

圖2：原有蝕刻模塊示例

模塊構(gòu)建允許設(shè)備購(gòu)買者按照工藝步驟要求，或維持指定生產(chǎn)線速度或產(chǎn)量要求，來(lái)配置生產(chǎn)線。例如，之前購(gòu)買的設(shè)備可以使生產(chǎn)目標(biāo)維持在75秒~90秒的蝕刻時(shí)間。但是，現(xiàn)在終端用要求采用更厚的材料，或用同樣的材料但蝕刻更深。你發(fā)現(xiàn)蝕刻機(jī)要求的時(shí)間現(xiàn)在為120秒~135秒。你要調(diào)慢傳送帶的速度，但這樣可能會(huì)對(duì)上游工序產(chǎn)生副作用（如顯影）或?qū)ο掠喂ば虍a(chǎn)生副作用（如抗蝕劑剝離）。即使這條組合生產(chǎn)線的其他工藝不會(huì)受到影響，總生產(chǎn)率也會(huì)下降。

在模塊化系統(tǒng)中，也可構(gòu)建另一個(gè)蝕刻模塊，將其放在現(xiàn)有蝕刻模塊右側(cè)。而且比購(gòu)買一個(gè)全新的系統(tǒng)便宜，這種方法有一些注意事項(xiàng)。首先，工廠必須有足夠的廠房以加長(zhǎng)系統(tǒng)；第二，必須有足夠的電容量以運(yùn)行更多的泵，及另一個(gè)傳送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)；最后，在完成改型工作之前，生產(chǎn)線必須停機(jī)，并進(jìn)行清潔。為了完成新模塊的集成測(cè)試，2周的停機(jī)時(shí)間可能是必要的。

其他

最終需要考慮的因素是工藝控制。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大量的方法可幫助你實(shí)現(xiàn)工藝自動(dòng)化，并保證運(yùn)轉(zhuǎn)正常。定量槽和泵、氯化物蝕刻劑再生系統(tǒng)、可編程邏輯控制器（PLC）、廢水處理和離子交換系統(tǒng)都是可根據(jù)需要而采用的。

圖3：PLC控制的用戶界面示例

圖4：離子交換系統(tǒng)的前視圖和側(cè)視圖

PLC控制特別適合加工產(chǎn)品組合，工程師或操作員能夠編程工藝參數(shù)如傳送帶速度（或接觸時(shí)間）、溫度、劑量或再生參數(shù)，甚至還可編程噴射壓力——為每個(gè)產(chǎn)品調(diào)整噴射并指定配方號(hào)。一旦配方裝載到存儲(chǔ)器中，任何操作員都可輕易地從一個(gè)產(chǎn)品改到下一個(gè)產(chǎn)品，并知道它將在指定條件下運(yùn)行。

采用條形碼應(yīng)用和條形碼解讀器，每個(gè)產(chǎn)品都能和特定的方法匹配，就進(jìn)一步消除了出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。每塊在制板上的數(shù)字，包括采用一次編碼和日期戳，使你能夠在整個(gè)加工過(guò)程中跟蹤每塊在制板。如果在檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了不合格產(chǎn)品，日期戳可以很容易地確定同一時(shí)間內(nèi)的其它產(chǎn)品也是有缺陷的。

此外，在當(dāng)今24小時(shí)全天候都連接的世界里，只要設(shè)置正確并連接Wi-Fi，通過(guò)智能電話就可根據(jù)產(chǎn)品組合及產(chǎn)量，監(jiān)測(cè)和調(diào)整所有一切，所以通過(guò)前期成本增加自動(dòng)工藝控制是很值得的。

結(jié)論

無(wú)論是否是第一次購(gòu)買工藝設(shè)備，都已超越了現(xiàn)有的系統(tǒng)，不論你是想提高產(chǎn)量或增加產(chǎn)能，或是決定開(kāi)發(fā)完全新的產(chǎn)品組合，你的供應(yīng)商都應(yīng)該能夠利用他們的專長(zhǎng)幫助你完成設(shè)備選購(gòu)。購(gòu)買決定將會(huì)在接下來(lái)的幾年伴隨你左右，但它不會(huì)是可怕的經(jīng)歷。如供應(yīng)商已經(jīng)為客戶構(gòu)建了很多不同系統(tǒng)，并且確實(shí)有效，和這樣的供應(yīng)商合作，在決策過(guò)程中就不必太過(guò)擔(dān)心。