PCB板DES制程中的短路缺陷分析與改善

顧亞東

【摘 要】DES（顯影蝕刻去膜）是PCB生產(chǎn)過程當(dāng)中非常重要的制程。生產(chǎn)中，質(zhì)檢部門經(jīng)常檢測到PCB板存在DES制程缺陷造成的線路短路問題，直接關(guān)系到生產(chǎn)成本的增加，也關(guān)系到成品合格率。蝕刻后短路的問題，可能造成產(chǎn)線的品質(zhì)惡化、進(jìn)度延誤，甚至影響出貨。本文將分析討論DES制程中短路缺陷的原因，找出不同的因素來進(jìn)行過程改善，并展示改善后的結(jié)果，包括采取長期措施進(jìn)行預(yù)防。期望在現(xiàn)有的各種生產(chǎn)條件中尋找出最合適的制程控制方法，對DES的短路缺陷進(jìn)行長期穩(wěn)定的控制。

【關(guān)鍵詞】PCB板;DES制程;短路缺陷;缺陷分析;工藝改進(jìn)

中圖分類號： TG356.55文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）16-0053-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.024

0 引言

PCB生產(chǎn)的DES制程中會有很多缺陷產(chǎn)生，常見的有如下幾點：

DES蝕刻后造成的PCB板面劃傷，蝕刻后的線路被外界因素強(qiáng)制造成損傷。該缺陷會使PCB 線路開路或者扭曲，導(dǎo)致信號中斷。所以在日常設(shè)備維護(hù)的時候，對滾輪的狀況、收放板機(jī)的機(jī)器要定期檢查調(diào)整。

DES制程后PCB板還會有短路問題，同樣會造成PCB板報廢。一般是由DES顯影段的干膜殘渣，蝕刻段的滾輪污染，藥水濃度的變化，參數(shù)的不穩(wěn)定等因素導(dǎo)致的。

1 DES工藝的介紹

DES工藝的目的是將前工序所做出的有圖形的線路板上未受保護(hù)的非導(dǎo)體部分銅蝕刻去，形成線路。DES工藝中，D為顯影（Develop），E為蝕刻（Etching），S為去膜（Strip）。

1.1 DES工藝中的顯影

顯影的目的是將未發(fā)生聚合反應(yīng)的區(qū)域用顯影藥水將其沖洗掉，曝光已感光部分則因已發(fā)生聚合反應(yīng)而洗不掉，仍留在銅面上成為蝕刻阻劑膜。在顯影中只有水溶性的干膜才可以進(jìn)行顯影。顯影槽中采用軟化水和碳酸鉀配制槽液。

整個顯影段由顯影槽、溢流水洗段、烘干段組成。顯影過程中，未曝光的干膜將會被完全溶解在藥液中。聚合的干膜將留在板面上在蝕刻過程中對相應(yīng)的銅面起保護(hù)作用。在水洗槽中顯影液會被徹底沖洗干凈。水洗中加入硫酸鎂可以讓水洗更有效率。干燥后，板面上不應(yīng)殘留任何的干膜碎片和其他雜質(zhì)，否則會有短路風(fēng)險。

顯影液添加的過程是由導(dǎo)電度控制，當(dāng)電導(dǎo)率降至設(shè)定的最低點時，藥水添加泵將自動開始工作，電導(dǎo)率將隨之而上升，直到設(shè)定的最大值后，碳酸鈉的添加將停止。顯影段是產(chǎn)生DES短路的重要部分。

1.2 DES工藝中的蝕刻

蝕刻的目的是以蝕刻液將銅表面去除，留有抗蝕干膜的線路。蝕刻主要三點關(guān)鍵：線路線細(xì)，線路間距，線路短路。所以生產(chǎn)中重點把控蝕刻不盡和蝕刻過度。蝕刻過程中，Cu2+有氧化性，將板面銅氧化成Cu+。

反應(yīng)過程：Cu+CuCl2->2CuCl

生成的CuCl不溶于水，在過量氯離子存在的情況下，產(chǎn)生可溶性絡(luò)離子：

反應(yīng)過程：2CuCl+4Cl- -->2[CuCl3]2-

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Cu+越來越多，蝕刻銅能力下降，需要對蝕刻液再生，使Cu+變成Cu2+。目前使用的是雙氧水再生（反應(yīng)速率快，易控制）。

反應(yīng)過程 ： 2CuCl+2HCl+H2O2-->2CuCl2+2H2O

目前使用的自動控制添加系統(tǒng)通過控制蝕刻速度、雙氧水和鹽酸的添加比例、比重和液位、溫度、蝕刻噴灑壓力等項目，達(dá)到自動連續(xù)生產(chǎn)的效果。生產(chǎn)中，板面上裸露的銅面必須完全蝕刻干凈，否則會有線細(xì)或者間距的風(fēng)險。

1.3 DES工藝中的去膜

去膜的目的是將線路上抗蝕干膜材料去掉，露出銅線路。生產(chǎn)中需要注意去膜不凈，否則在后續(xù)工藝中會有干膜渣殘留，導(dǎo)致后段壓合工藝有氣泡產(chǎn)生。蝕刻后，部分干膜仍然覆蓋在線條和焊盤表面，這些經(jīng)過了紫外光照射而聚合過的干膜，必須在PH值大于12的溶液中融解，所以采用堿性去膜液。

2 常見短路原因

2.1 鍍銅造成銅顆粒短路

銅顆粒殘留造成蝕刻后線路上會有高低差，銅分層中的殘留導(dǎo)致蝕刻藥水無法完全將顆粒咬干凈。所以類似在DES制程之前顆粒操作的短路，需在鍍銅制程中對銅缸的雜質(zhì)進(jìn)行清理，比如加大過濾芯的更換頻率，用滾輪進(jìn)行清潔等。

2.2 曝光造成的干膜過度聚合

在曝光時，曝光設(shè)備發(fā)生異常，造成PCB板表面產(chǎn)生大面積短路。一般情況下，曝光如果有類似以下幾種情況會造成大面積短路。

1）曝光設(shè)備能量異常，導(dǎo)致干膜聚合過度，顯影后明顯表現(xiàn)為線路外干膜未顯影干凈;

2）曝光臺面真空不足，導(dǎo)致PCB板曝光時有板翹，鐳射無法按照設(shè)定程序均勻曝光;

3）曝光聚焦異常，該表現(xiàn)為PCB板曝光后表面有固定區(qū)域的能量過高，干膜過度聚合。

改善方法：針對這些異常會造成大面積短路風(fēng)險，DES工藝中都會取樣板進(jìn)行提前觀察，檢測是否有類似問題，從而決定整個批次是否需要退膜返工。

2.3 DES工藝中造成的短路

1）DES顯影前的生產(chǎn)板板面是附著的干膜，而干膜表面為保護(hù)干膜的邁拉膜。顯影前生產(chǎn)板需要經(jīng)過剝膜機(jī)，要將保護(hù)的邁拉膜去除。但是在邁拉膜去除的過程中，如果干膜有損傷，也會造成PCB板線路上有條形短路。

2）DES顯影過程中，顯影段會有藥水或者異物殘留，致使點狀顯影不盡。該顯影不盡直接導(dǎo)致蝕刻藥水無法滲透進(jìn)去，造成微型短路。顯影段的壓力異常、藥水導(dǎo)電度異常、溫度異常、速度發(fā)生變化都會導(dǎo)致顯影段槽體內(nèi)溶膜量增加，影響顯影效果，使顯影點后移，形成微短。另外在顯影水洗段使用的是去離子水，如果水質(zhì)受到污染，水洗壓力不夠，同樣會污染滾輪，造成板面污染。DES制程生產(chǎn)及保養(yǎng)過程中，顯影段一直是重點關(guān)注的區(qū)域。比如生產(chǎn)時，顯影段壓力、溫度、顯影藥水的導(dǎo)電度都需要控制在設(shè)定范圍之內(nèi)，絕對不可以有任何波動造成的報警。設(shè)備保養(yǎng)時要進(jìn)行酸洗，將槽子酸堿中和，清潔干膜渣。因為生產(chǎn)時顯影藥水有較高的溶膜量，飽和時干膜渣容易附著在槽體和滾輪上，從而污染PCB板面。

3）DES蝕刻過程中同樣可能產(chǎn)生短路。由于蝕刻中藥水是再生循環(huán)生產(chǎn)，會存在各種板面上脫落的膠裝異物，顯影過程中帶進(jìn)的干膜殘留會對蝕刻段滾輪造成污染，而且這些污染物會片狀的附著在板面，抑制藥水對銅面的攻擊，產(chǎn)生短路。同樣，蝕刻速度、藥水濃度、蝕刻溫度、藥水噴淋壓力、蝕刻均勻性也對蝕刻過程產(chǎn)生很大影響，如果其中一些參數(shù)發(fā)生波動，都會無法對銅面進(jìn)行完整的咬蝕。

3 缺陷改善措施

對以上DES發(fā)生的短路進(jìn)行分析并且改善時，首先明確改善的方向。發(fā)現(xiàn)短路問題，基本的解決反饋過程可以按照下面泳道圖所示進(jìn)行。

A1：質(zhì)檢部門發(fā)現(xiàn)PCB板短路問題。

A2：在線生產(chǎn)人員檢查設(shè)備狀況。

A3：質(zhì)量工程師統(tǒng)計分析短路的風(fēng)險狀況。

A4：生產(chǎn)工程師調(diào)整在線問題，采取短期和長期改善措施。

A5：調(diào)整之后的第一個LOT繼續(xù)觀察。

3.1 鍍銅造成的短路

這些缺陷往往在質(zhì)檢部門通過檢測機(jī)很難明確分辨是鍍銅還是DES微短造成的，需要鍍銅和DES工程師都具備非常專業(yè)的PCB缺陷認(rèn)知能力。在確認(rèn)是鍍銅造成的短路后，要和鍍銅一起進(jìn)行根本原因分析。比如是電鍍銅時電鍍層厚薄不均勻，導(dǎo)致蝕刻不干凈。

改善方法：鍍銅需要同時根據(jù)孔面積的大小，調(diào)整好單位面積的電流密度，電鍍時間盡量保持一致，保證滿負(fù)荷生產(chǎn)，同時增加陰、陽極擋板，制定“電鍍邊條”的使用制度以減少電位差。電鍍銅的異物導(dǎo)致的短路，需要對整個過濾系統(tǒng)進(jìn)行檢查，水洗的質(zhì)量控制，在線滾輪的清潔都要放在控制計劃之內(nèi)。對在線過濾芯的密度進(jìn)行改善，可以從10um提升到5um，進(jìn)行異物控制。

3.2 曝光造成的大面積短路

1）目前對曝光機(jī)每周都會進(jìn)行解析度的測試，對橫線、豎線、斜線都要采取PMC的監(jiān)控方法，確認(rèn)線路是否每周變化，來確定曝光的能量，聚焦能力等是否發(fā)生改變。

2）曝光臺面真空問題，材料上對曝光臺面墊板定期更換，參數(shù)上真空值設(shè)定相對比較小的范圍，能在發(fā)生問題時提前真空報警，預(yù)防板子曝光不均勻。

3）另外曝光時干膜表面有劃傷現(xiàn)象的時候，也會造成短路。膜面上有劃傷現(xiàn)象，劃痕積聚有灰塵形成黑色或不透明的“小線條”，在線路圖形曝光時因黑色或不透明的“小線條”遮光，使得顯影后在線路之間形成露銅點而造成短路，且板件上的銅箔越薄越容易短路，線間距越小越容易短路。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)邁拉膜有劃傷現(xiàn)象時，必須馬上進(jìn)行更換或用無水酒精清潔，保證邁拉膜的透明度，嚴(yán)格控制不透明的劃痕存在。

3.3 DES剝膜機(jī)的改善方法

DES制程前剝膜機(jī)造成干膜面劃傷時，干膜結(jié)構(gòu)因外力強(qiáng)壓，造成結(jié)構(gòu)變化，在顯影時該區(qū)域干膜無法被顯影開，給蝕刻藥水造成抗蝕效果，形成線性短路。所以需要定期清潔剝膜機(jī)的壓膜輪，劍型板，加熱絲等部件，將這些部件加入設(shè)備維護(hù)的項目中，制定相關(guān)備件的使用壽命及更換標(biāo)準(zhǔn)。剝膜機(jī)保養(yǎng)時，在線員工需要按照保養(yǎng)要求，將壓膜輪，劍型板，加熱絲等進(jìn)行拆除清潔。

3.4 DES顯影及蝕刻產(chǎn)生的短路改善

由于顯影和蝕刻對短路的影響具有共通性，放一起進(jìn)行分析改善。按照人機(jī)料法環(huán)分析方法找出所有因素并找出解決的方案：

分析中先取出幾個影響因素：

1）DES顯影狀況。

2）DES蝕刻段狀況。

3）質(zhì)檢部門判斷方法。

4）來料板子的狀況（比如銅顆粒多，曝光時異常發(fā)生，前面有分析到）。

5）在線生產(chǎn)員工的操作方法。

3.4.1 其中，對現(xiàn)場生產(chǎn)員工和質(zhì)檢部門員工的表現(xiàn)進(jìn)行MSA分析，通過分析不同員工同一時間生產(chǎn)的表現(xiàn)，同一員工在不同時間，同樣的生產(chǎn)條件下的表現(xiàn)，進(jìn)行分析。結(jié)果顯示生產(chǎn)員工操作表現(xiàn)是可以接受的。質(zhì)檢部門的判斷正確率基本穩(wěn)定，但需要進(jìn)一步的培訓(xùn)。

3.4.2 對DES制程能力的穩(wěn)定性進(jìn)行檢查（包括蝕刻均勻性，溫度，壓力，速度，藥水濃度的綜合效果），取同樣類型的PCB板批次，在來料都是同一生產(chǎn)條件的前提下，連續(xù)生產(chǎn)了30個批次并監(jiān)控DES制程的能力。從整個批次表現(xiàn)來看，DES本身的制程能力不是很穩(wěn)定。

在監(jiān)控的過程中發(fā)現(xiàn)了DES制程有3個因素有所影響：

X1：顯影段的水洗壓力發(fā)生了變化 ? ?-濾芯的影響。

X2：顯影段的滾輪開始發(fā)生污染 ?-顯影點是否合理。

X3：生產(chǎn)的板子有輕微間距，對判斷微短產(chǎn)生誤導(dǎo)-蝕刻速度是否合理。

將DES設(shè)備中的后臺設(shè)備幾個因子對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行，得到DES制程因子的影響分布，得出DES濾芯是產(chǎn)生短路的重要部分，其次顯影點和蝕刻速度的組合也是決定短路表現(xiàn)的因子。所以做一個簡單的DOE測試（采用同一批PCB型號的板子）。

通過DOE測試及結(jié)果得出最佳因子組合：高效濾芯，顯影點40%，蝕刻速度4.7。后面通過15個批次該型號的生產(chǎn)板進(jìn)行重復(fù)驗證，得到所需要的短路良率，處在合理的置信區(qū)間之內(nèi)。

4 總結(jié)

從以上分析結(jié)果來看，DES短路的主要原因有：

1）DES顯影狀況。

2）DES蝕刻段狀況。

3）質(zhì)檢部門判斷方法。

4）來料板的狀況。

5）在線生產(chǎn)員工的操作方法。

結(jié)論：

1）通過以上分析，關(guān)鍵是和鍍銅還有曝光制程一起來控制PCB板的來料問題造成的短路。

2）對于DES制程本身產(chǎn)生的短路，需要重點關(guān)注設(shè)備使用濾芯的狀況，每周定期檢查顯影點是否偏移，對蝕刻的速度進(jìn)行定期校準(zhǔn)，可以將短路控制在可接受范圍內(nèi)。當(dāng)然像其他重要因子比如藥水濃度、溫度、導(dǎo)電度、噴淋壓力等同樣需要時刻控制在設(shè)定范圍內(nèi)，防止發(fā)生波動導(dǎo)致大批量PCB短路問題。

短路作為PCB板的常見缺陷，廣泛存在于行業(yè)內(nèi)的不同企業(yè)產(chǎn)線上，但是不同現(xiàn)象有不同原因，形成機(jī)理也不同，作為工藝應(yīng)該立足于現(xiàn)場，看實物分析現(xiàn)象，這樣才能把握真因繼而改善問題。