Руководство по щелочному травлению

(перевод статьи инженера-химика Chemcut — Christopher Bonsell из журнала «PCB007», июль 2022 года)

Рис. 1 Процесс щелочного травления в обычной установке.

(Источники аммиака и кислорода могут меняться, а представленные методы на диаграмме наиболее типичные)

25 июля 2022 года

Щелочной травитель наиболее часто используется для производства печатных плат. Он используется благодаря высокой скорости травления, улучшенному фактору травления и совместимости с металлорезистами. Имея большие преимущества, он обладает и недостатками из-за трудностей контроля. Химизм травления требует деликатной балансировки, а параметры должны оставаться почти постоянными. Хотя пределы погрешности невелики, выход за их пределы может иметь последствия. Если работать недостаточно тщательно, то можно достичь точки «кристаллизации», где в травителе происходит необратимая реактция. Кристаллизация может значительно снизить эффективность травления и привести к ряду повреждений продукции и оборудования травления. Для предотвращения этого приведено короткое руководство для понимания контроля химизма щелочного травителя.

Понимание химизма zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Использование щелочного травителя требует также понимания химизма внутри установки травления. Внутри камеры травления центрами рассмотрения являются две реакции: травления и регенерации. Эти реакции отражены в таблице 1. То, как реагенты задействованы в реакциях, показано на рисунке 1.

Табл. 1 Реакции травления и регенерации для щелочного хлорида меди

По таблице, первая реакция — простое травление, где травитель (Cu+2(NH3)4Cl2) реагирует с медью (Cuº), переходя в сливаемую форму щелочного травителя (Cu+2(NH3)4Cl). Реакция травления достаточна проста, в отличие от реакции регенерации. Реакция регенерации имеет тенденцию к лидерству, поскольку комплексная и существенна для процесса. Реакция регенерации важна, поскольку обеспечивает травление заготовок, не снижая качества плат или скорости травления. В реакции регенерации сливаемая часть травителя реагирует с аммиаком (NH3), хлоридом аммония (NH4Сl) и кислородом (O2) для возвращения травителя в исходное состояние. Все компоненты реакции (аммиак, хлорид аммония, кислород и вода) играют критически важную роль в поддержании травителя. Аммиак важен для поддержания рН, хлорид аммония — для содержания хлорида, кислород работает как лимитирующий агент при регенерации, а вода — помогает поддерживать удельный вес (концентрацию меди). Эти компоненты реакции помогают оставаться в пределах параметров щелочного травления при работе. Главными факторами, отслеживаемыми при работе, являются рН, уровень хлорида и проток воздуха. На них надо сфокусировать свои усилия из-за повышенного риска или трудности контроля.

Контроль величины рН zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Удержание постоянной величины рН является большой проблемой в щелочном травлении. Одна из причин — трудность управления, т. к. рН это значение, которое нелегко измерить. Щелочной травитель может легко повредить датчики рН и вызвать неправильное считывание значения. Из-за возможности кристаллизации при падении рН неточное считывание недопустимо. Для отслеживания величины рН рекомендуется использовать датчики наряду с обычным титрованием. Величину рН необходимо поддерживать в пределах 8.1−8.2 (может слегка изменяться в зависимости от поставщика химикатов). Если замечается образование тёмных синих кристаллов в ванне травления, это свидетельствует о том, что величина рН слишком мала.

Другой причиной трудности контроля рН является то, что рН может легко выходить из диапазона. Потому, что величина рН поддерживается газообразным аммиаком и нужное значение зависит от количества растворённого аммиака в травителе. Так как аммиак очень летуч, то трудно удержать его растворённым в травителе. Существует много переменных, влияющих на удержание аммиака в травителе. Основные параметры, влияющие на испарение или удержание аммиака в травителе: температура, давление распыления и вентиляция.

Даже, если травитель не используется в данное время, необходимо позаботиться о поддержании рН. Если травителю разрешается простаивать продолжительное время в незащищённых условиях, то аммиак будет улетать из травителя, приводя к снижению величины рН и кристаллизации шлама. Для предотвращения этого, самым лучшим будет перекачка травителя из установки в бочки, если не планируется использование в течении трёх дней. Перекачка в бочки с уплотнением предотвращает от улетучивания аммиака.

Контроль хлорида zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Также необходимо поддерживать уровень хлорида для предотвращения кристаллизации. Как и при контроле величины рН, хорошей практикой является попутное титрование для контроля уровня хлоридов. К счастью, поддержание уровня хлоридов легче, чем величины рН. Это благодаря единственному пути снижения величины хлорида из-за разбавления или недостаточной подпитки для поддержания реакции регенерации. Наиболее частой причиной потери хлорид ионов является использование только аммиака вместо приготовления в модуле «пополняющей промывки» аммиачного-аммоний хлоридного раствора. Использование только аммиака приводит к разбавлению содержания хлоридов и выпадению концентрации из желаемого диапазона. Содержание хлоридов должно оставаться в пределах диапазона 160−165 г/л. При слишком большом падении уровня хлоридов происходит образование лёгких синих кристаллов. Для возвращения к прежнему уровню необходимо просто растворить кристаллы хлорида аммония в травителе.

Оптимизация протока воздуха zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Для активной готовности процесса травления важно поддерживать реакцию регенерации. Поддержание регенерации основано на лимитирующей поставке кислорода для сохранения производительности. Так как кислород должен поступать в камеру травления через вентиляционную систему, необходимо провести дополнительные изменения. Это нужно для оптимального протока воздуха. При слишком небольшом протоке не будет достаточно кислорода для скорости травления. При слишком большом протоке воздуха произойдёт утечка аммиака из травителя и падение величины рН, потенциально приводя к кристаллизации.

В случае крупносерийного производства печатных плат, иногда недостаточно вентиляции. В таком случае, потребуется дополнительная воздушная аэрация в ванне травителя. Воздушная аэрация — метод питания кислородом травителя, путём подачи пробулькиванием сжатого воздуха со дна ванны травления. При этом возникают те же проблемы, что и при обычном подходе к вентиляции. При слишком сильной аэрации улетает много аммиака из травителя, а при слабой — недостаточность для поддержания производительности. Оптимальность достигается в процессе поиска и ошибок, но при тщательном отслеживании величины рН и качества травления.

Заключение zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Контроль химизма щелочного травителя всегда был затруднён. Большая часть трудностей возникала из-за отсутствия соответствующего понимания того, как работает щелочной травитель, и что нужно для стабилизации.

Теперь, при рассмотрении основных проблемных областей, технологи лучше оснащены для поддержания и использования щелочного травителя.

**************************

Компания «БалтМедиа Партнёр», работая в содружестве с изготовителями оборудования для оснащения сборочно- монтажного автоматизированного производства, решает индивидуально с каждым заказчиком, как правильно выбрать необходимое оборудование и эффективно выстроить производственный процесс, сопровождая его поставками расходных и базовых материалов.

Для совместной работы используется следующий контакт:

Санкт-Петербург, Таллиннское шоссе, 206

Тел. +7 (921)895−1422. (921)994−9502

Электронная почта: office@bmptek.ru

Управляющий проекта — Алексей Леонов