銅箔表面清潔處理技術在印製板生產中的應用

一、前言

近年來，電子工業飛速發展，越來越能滿足高密度封裝及小型化發展的需求。與之相應，印製電路工業界也必須面對日益迫近的更爲精細線路，及線間距高密度印製電路板的製造任務。

爲了避免生產率的劇烈下滑，印製電路板製造商不得不再次對其整個生產工藝流程，從每個工步入手，對細節處進行逐次檢查。

衆所周知，對於印製電路板製造來說，很關鍵的一步是：銅箔表面抗蝕材料（幹膜、液態抗蝕劑、阻焊膜）的運用。

對於印製電路板製造之抗蝕材料運用來說，未經任何處理的銅箔表面，是不能提供其所需的足夠的粘接點的。需要通過表面清潔及預處理，除去銅箔表面所有的污染物，並創建出一個適合粘接的粗糙表面。

爲此，對於更薄內層單片覆銅箔材料的使用、設計所需更精細線路及線間距製造的要求，以及隨之而來的對高品質銅箔表面處理需求，極大的促進了這一領域的傳統研究及新手段的探索。

傳統覆銅箔層壓板材料需要對其外貌（表面）進行改變，通常是除去所有污染物和外來雜質元素，以實現清潔表面的目的。

二、銅箔表面

傳統的銅箔大多采用電解的方式，在一個不斷旋轉的不鏽鋼滾筒陰極上獲取，也即電解銅箔。

隨後，通常會經過進一步的化學處理，俗稱防氧化處理。類似於採用鉻酸鹽來抵抗腐蝕，塗鋅於銅箔面，用來保護銅箔經受住高溫層壓條件的嚴峻考驗。

此外，“防氧化”處理，還能保證覆銅箔層壓板材料有較長的貨架壽命。

下圖1展示的是掃描電子顯微鏡拍攝的銅箔表面結構形態示意。

對於抗蝕材料（幹膜、阻焊膜或其他）來說，粗糙的表面可以提供一個更好的粘接效果。這是因爲，一個優良的表面，應當展示出一致性的銳利峯和谷的結構形態，在此結構形態的表面，方能實現塗覆層的機械性錨接。

而傳統覆銅箔層壓板材料的原始銅表面，不具備上述提及的一致性形態結構，因此，針對可利用的任何塗層，提供不出一個足夠錨接力的表面形態。

最後，無數經驗證明：傳統覆銅箔層壓板材料的原始銅表面，對於抗蝕材料獲得優異粘接來說未經任何處理，顯然是不適合的。

至於有效粘接的必備條件，應該是擁有一個高低錯落的形態結構，且必須具有較高的潔淨程度。

三、銅表面的清潔和預處理方法

3.1研磨刷清潔處理

3.1.1概述

作爲最早和很常用的清潔方法，研磨刷清潔處理已被使用許多年了。該方法是採用帶有研磨顆粒的無紡尼龍纖維組成的緊密刷輥，通過專門設計製造的刷板設備，對需處理覆銅箔層壓板銅表面進行處理。

下面給出了兩張研磨刷輥示意圖。其中，圖2展示的是浸漬研磨顆粒的硬毛刷，圖3展示的則是Scotch拋光刷。

該技術被廣泛用以對覆銅箔層壓板銅表面進行清潔處理。

至於拋刷的目標，是藉助研磨顆粒在材料表面的切線運動，通過機械摩擦和粗化銅箔表面，在同一時間內，除去任何可能附着的污染物。

如圖4所示，並不是擦痕密度越高，抗蝕材料的粘接性能越好。

因爲，當貼幹膜操作時，銅箔表面的擦痕可能會造成橋狀空隙，而且，在歷經幹膜曝光和顯影處理後，此類溝道空隙依然存在。

對於多層印製板的內層圖形制作來說，在圖形轉移後，將進行酸性蝕刻操作。由於上述橋狀空隙的存在，蝕刻溶液可能會蔓延滲入其中，從而造成線寬的不規則改變，嚴重時甚至會造成線斷缺陷。此情況的結果，將會使線寬控制無規律，精細線路開路。

相似的問題還會出現在多層印製板的外層圖形電鍍製作中：在此過程中，電鍍溶液會潛入幹膜下部，造成滲鍍問題的出現，最終會導致線寬增寬，線間距無規則變化，嚴重時會導致精細間隙橋連短路。

關於表面元素組成，我們能斷定含研磨顆粒的輥刷具有侵略性的作用，一定能除去大部分的銅箔表面污染物和外來元素。

然而，現今的組成印製線路的導體部分和介質部分，大部分是相互平行佈設的。而且，其線寬和線間距大小，幾乎與前述提及的單向性擦痕數量級相當。

因此，此種高密度印製電路製造需求，迅速導致研磨刷清潔方法的荒廢，大大降低了其運用普遍性。

此外，硬研磨刷不能被用來對內層薄單片進行清潔處理，否則會使薄單片遭受不可接受的延長變形和可能導致板材損壞。

圖5展示的是，經過研磨刷處理和顯影蝕刻或電鍍製程的粗糙形態圖示意。

使用研磨刷處理的另外一個不足是，該表面清潔處理法，有可能破壞金屬化孔的孔口部分。此問題的出現是由於研磨刷本身的結構，加之金屬化孔線路上部所經受的強機械作用所致。

另外，由圖6可見，該不足問題的出現，會造成金屬化孔的拐角裂縫，由此導致印製板成品的質量問題和可靠性降低。

正如前面所述，研磨刷清潔處理所造成的銅箔表面擦劃是單向性的，因此，對於印製線路圖形制造、精細線路精確度的實現，將大大依賴於銅箔表面擦劃的方向。

3.1.2特點

（1）外來顆粒可能被包埋於銅箔之下（“犁”作用）；

(2)存在銅箔表面和多層板內層金屬化孔孔壁間的連接破裂危險，隨着電鍍銅層厚度減薄的趨勢，此種連接破裂危險將越發嚴峻；

(3)磨刷壓力控制很關鍵，而且受操作者控制的敏感性很大；

(4）磨刷的磨損往往是非一致性的發生，從而導致磨刷壓力的不均勻性運用；

(5)對於薄層壓板材料的磨刷處理，不造成材料的損壞是非常關鍵且值得廣爲關注的問題；

(6)磨刷所造成的拐角折斷，可能會導致短路情況的發生。

3.2化學清潔處理

3.2.1概述

當關注到薄型材料表面擦劃、材料延伸和損壞時，化學清潔處理總是研磨刷清潔處理的不二替代方法。

首先，銅表面先經除油處理，以除去有機沾污，例如油脂和手指印漬，或類似於防氧化處理層的鉻酸鹽。隨後，將運用微蝕刻處理，以除去銅層表面的氧化物，並同時提供一個微粗化的銅表面。

圖7展示的是：優良的微蝕刻處理銅表面和改善銅表面結構形態，提供一個有效粘接的足夠粗糙形態。

該清潔處理製程，不包括針對銅層表面的機械作用，因此，考慮到完全除去銅表面沾污物，避免可能產生的處理不一致性，是很關鍵的。

由於覆銅箔層壓板生產廠商所用的銅層表面抗氧化塗層厚度各不相同，其耐受微蝕刻處理的能力也存在差異，這將會導致清潔處理後的表面形態結構的不一致性。

相同的概念也將被運用到所有外來元素中，例如樹脂斑點：任何污染物，除非可以完全溶解於所用化學溶劑中，是不能被除去的，它將最終遺留在銅層表面，並阻止後續製程對其下部銅層的進攻。

3.2.2不足

（1）相比之較高的處理成本，增大水的消耗，且存在污水處理問題，製程每步控制一致性困難；

(2)沒有大多數機械清潔處理方法運用中，對於銅層表面刷磨的切線作用。任何污染物，除非可以完全溶解於所用化學溶劑中，是不能被除去的，將最終遺留在銅層表面，並阻止後續製程對其下部銅層的進攻；

(3)處理所獲得的表面均勻一致性和連貫性，是有問題的；

(4)除油製程所用的每種化學產品，僅能有選擇性地進攻一定範圍的污染物。這將導致選用價格昂貴和複雜組成的上述除油化學產品，或採取較長的處理生產線，其中包括許多除油和淋洗段；

(5)每種化學物質，必須仔細且經常進行分析，並根據分析結果進行補充調整，從而保證處理結果的一致性；

(6)處理所用的有機酸、加速劑、表面活性劑（相當於潤溼劑）和穩定劑，會帶來較多的問題，並增加污水的處理成本。

如果針對超柔軟性材料的表面處理，當機械清潔方法不能加工處理之情況下，可選擇應用化學清潔處理方法。

不過，機械清潔處理方法是較好的選擇，因爲它們較易被控制，且可採取較爲固定的方式反覆進行加工。

3.2.3優點

如果不滿意研磨顆粒的磨痕擦劃，在進行精細線路製造技術中，其他方法會污染所運用的較貴的液態光致抗蝕材料。

隨着化學清潔處理法變得越來越普遍，薄內層單片的運用日漸增加，因爲該處理方法針對超精緻銅箔處理時，僅會造成材料的有限度伸長。

3.3火山灰噴射清潔處理

3.3.1概述

在試圖消除或降低採用前述所提及方法所帶來的固有機械問題時，一些設備製造商開發出了一個基於火山灰漿噴射需處理材料表面的清潔處理方法。

由圖8展示可看出，火山灰噴射前處理，所得到的銅箔表面結構，太光滑和缺乏銳峯的處理效果。

當與用其他方法獲得的粗糙結構表面相比較時，儘管所獲得的是一個太光滑的表面，且缺乏銳峯，但銅箔表面被一致性砂磨處理過了。另外，針對抗蝕材料的一個較弱的錨抓表面形態結構，是期望能夠獲得的。

至於提及去除表面的外來元素，我們應當注意到，當火山灰漿被噴射到板的表面時，火山灰粉末相對較輕，因此提供的是一個弱的機械作用。此外，沒有機械研磨作用於板面的切線處理效果。

當材料表面僅通過簡單的錘擊處理時，那些較難被置換掉的污染物，可能將不能完全被除去。

另外，火山灰泥漿的檢測是很關鍵的。火山灰顆粒隨着時間的過去，具有不斷沉降的趨向。典型的火山灰泥漿的濃度和壽命，必須被嚴格控制，以確保其清潔處理作用，滿足於可接受水平之上。

注意：通常火山灰噴射表面處理需結合化學清潔步驟來實施。

3.3.2優點

（1）該技術可排除所有磨刷的使用，以及由此帶來的機械問題；

(2）由於不使用磨刷，製程允許在不造成損壞的情況下，完成對薄型材料的表面清潔處理。

3.3.3缺點

（1）對銅表面沒有機械磨損的切線作用。那些污染物，較難被置換掉，當僅採用該法簡單地“錘擊”處理時，不能被完全去除；

(2)銳峯的缺乏，以及較平滑表面效果（比較採用尼龍刷結合火山灰泥漿處理所得表面處理效果），將會導致稍低的抗蝕材料粘結力；

(3)處理板表面上的火山灰泥漿，將隨着板子運行通過整個設備，致使整個製程效率降低和緩慢；

(4)火山灰泥漿的檢測是很關鍵的，在處理一段時間後，火山灰穎粒會變得鈍化。一般來說，必須對火山灰漿濃度和壽命加以嚴格控制，以保證其清潔處理效果，達到可接受水平之上；

(5)與一種帶有磨刷配置的堅硬結構的火山灰刷板設備相比較，該技術運用所需設備，採用塑料製造，肯定較便宜和簡單。然而，鑑於火山灰泥漿循環使用和噴射的相對高壓力，它存在一個嚴重的磨損隱患，導致設備報廢；

(6)該製程僅相對成功應用於較大表面銅的清潔處理，例如，用於多層印製板的內層板圖形轉移前處理。

3.4氧化鋁顆粒噴射清潔處理

3.4.1概述

爲了克服火山灰噴射處理效率低和不一致性機械作用問題，幾經努力，研製出了由氧化鋁代替的噴射清潔處理技術。由於氧化鋁穎粒較重和較堅硬，所以其漿狀物的噴射，對板面能保證較強的衝擊效果。

從圖9可看出，經處理後的銅表面呈現出低銳峯，因此改進了對其表面的有效粘合效果。

氧化鋁漿噴射的錘擊作用，改變了板材表面銅的結構，因而有效地改進了後續塗層的粘結性能。

所有種類的外來元素（氧化物，鉻酸鋅有機物）依然存在，幾乎與原始未處理銅表面具有相同的百分比。這是因爲，沒有機械磨損切線作用於表面的除去外來元素能力，從而揭露出其下所包埋的原始銅表面。

掃描電子顯微鏡圖片清晰地證實了氧化鋁噴射處理的效果，儘管其提供了一個針對抗蝕材料的可接受的機械處理錨接效果，但未能除去污染物。因此，無論該製程前或後，一個化學清洗工步是需要的。

此外，還應該關注的是，如果在噴射清潔處理操作中，與採用尼龍刷和研磨劑懸浮液刷磨效果相比較，使用太高壓力，被處理材料將被證實有一定程度的伸長。

不使用刷輥，雖然一定程度上會影響處理板的質量，但卻能提供某些程度的優勢：不需要根據待處理板的厚度不同，改變和調節刷輥，於任何時間通過氧化鋁噴射清潔處理。當然，噴嘴的更換還是需要的。

針對一個收縮的市場需求，該市場要求清潔處理設備製造廠家，更多關注操作成本減少、維修保養時間縮短、全自動、操作者技能依賴性降低等諸多方面因素。氧化鋁噴射清潔處理會在工業化生產中，擁有一席之地。

此外，採用氧化鋁噴射清潔處理的一個重要應用，是化學浸金前銅表面的清潔處理。

3.5利用火山灰和尼龍刷的磨刷清潔處理

3.5.1概述

火山灰，歷史性地被用於清潔銅箔表面，再次開始流行於70年代初。

由圖10可看到，銅箔具有均勻的、一致性、可砂處理的、深度浸蝕表面，且採用火山灰顆粒的精度微作用，可實現一個粗化的富峯表面。而且，該表面形態對所有塗層獲得良好粘結，是理想的載體。

無特定方向：表面是一致性的，外形輪廓的測量不依賴於其測量方向。

我們甚至不能談及“劃痕密度”，因爲根本無任何劃痕存在，因此，沒有幹膜橋和溝存在於其下部。

銳利火山灰顆粒和尼龍磨刷的共同作用，對於表面是沿着其切線方向的：所有沾污物，不考慮其種類，被機械性除去，從而露出其下新鮮的光澤銅面。

這些相片與圖1原始銅表面相比較，清晰顯示出其表面外來元素劇烈的減少，如氧化物和有機物，所有鉻酸鹽完全消失，鋅也減少到一個幾乎難以尋找的數量。

在幹膜應用前用帶有火山灰的磨刷處理，是當今流行的在線表面處理方法。

採用相同的方法，僅通過改變選用氧化鋁顆粒，對於前處理來說，是更佳的方法。其他方法對於塗層運用來說，不能提供足夠的錨接點，以經受住高溫下的多重焊接循環。

對於其他處理方法較窄的工藝控制窗口，例如噴射磨刷或化學清潔處理，針對可能出現的不同條件，完全不能保證其相同的一致性粘結。

3.6利用氧化鋁顆粒和尼龍刷的磨刷清潔處理

3.6.1概述

採用火山灰泥漿溶液和尼龍刷進行的磨刷處理方法，已被進一步改善爲選用磨刷性能更佳的氧化鋁顆粒—AL2O3。

圖11給各位展示的是，在結合了氧化鋁顆粒泥漿和尼龍刷後，對銅表面進行有效處理後的結構形態。

銅箔表面是一致性處理的，且顯示出大量的銳利峯和谷，此形態對於所有塗層獲得好的錨接來說，是必須的。這種銅箔表面形態非常相似於採用火山灰磨刷所能獲得的情況：沒有特定方向、沒有劃痕等特徵。（參見圖10)

通過比較上圖與原生態未處理的銅箔（圖1)，我們注意到沾污物僅通過一個渠道被消除了：鉻酸鹽完全消失了，鋅甚至減少到一個幾乎探測不到的數量。

利用氧化劑顆粒的磨刷處理，能提供與火山灰磨刷一致的表面處理質量，但氧化鋁顆粒的運用，開始成爲印製板工業界非常普遍的方法，則歸功於其所具有的額外優點，這將在隨後進行討論。

四、火山灰與氧化鋁顆粒比較

火山灰是來源於火山口火山岩的天然硅酸鹽混合物，它是藉助於陸地上一些礦的挖掘而得來的，然後，經過碾碎、過篩和過濾，篩分出各種不同等級的火山灰。

氧化鋁則是一種人工合成物，因此其具有非常一致性的化學和物理特性。

4.1化學組成（典型百分率）

上述提及的火山灰和氧化鋁的化學組成，請參見下表1。

表1火山灰和氧化鋁的化學組成示意

以實際應用爲目的，上述兩種產品當溶解於水、酸和鹼中後，均可被認爲是具有化學惰性特點。不過，火山灰的懸浮水溶液，由於其含有一些氫氧化物，故略顯鹼性。

4.2基本特性

火山灰和氧化鋁穎粒的物理特性大不相同。

4.2.1火山灰

火山灰粉末含有不同大小的顆粒，從可能的最小顆粒，到幾乎不可控制的最大尺寸顆粒。

其中，最小顆粒可能會騰起飛落工作場域，因而會危害到室內潔淨度。另一方面，不可控制的最大顆粒，可能會粘在印製線路間，或進入最小的孔內。

火山灰具有很多孔之海綿狀結構，因此很輕：其比重小於1（火山灰石能沿火山島嶼海岸漂浮於水面）。

火山灰是一種易碎材料，其顆粒趨於分解爲較小顆粒，但仍呈現其特質切邊形狀。不論何種情況下，需要每週清洗火山灰漿罐，同時，補充進新火山灰，使之形成新鮮火山灰漿溶液。

4.2.2氧化鋁

氧化鋁是一種人工生產出來的研磨料，因此，可獲得較火山灰更窄窗口控制的顆粒大小分佈。

根據生產板的特性（線寬和線間距、孔徑尺寸）和所需要獲得的表面處理效果（是用於幹膜制板之銅表面前處理，還是用於阻焊膜製造前處理，等等），使用者可以選擇合適顆粒尺寸的氧化鋁顆粒磨料。

氧化鋁的比重接近於4，至少5倍於火山灰，因此，很少發現有工作區域的回收問題需要解決。

高的比重，允許連續使用，且能被從水中有效分離，因此，氧化鋁是可以完全回收的，並可保存於泥漿罐中，從而最終減少了研磨粉的損失。

首先，按要求注入此種研磨粉，其後，在使用中偶而添加，作爲板子帶出所造成的損失補償。水連續流經泥漿罐，並保持其潔淨，一旦板面沾污物，如氧化物和金屬銅脫離系統，將被水所帶走。

氧化鋁不易裂解，比火山灰堅硬得多（氧化鋁達9Mohs，而火山灰僅爲5.5)，所以其使用壽命較長。

圖12和13展示的是：經過兩個月的使用後，氧化鋁研磨料仍未碎解，未產生不希望見到的小尺寸顆粒，而且其相當鋒利的邊緣仍清晰可見。

前述提及的高比重優勢，以及氧化鋁磨料被水連續清洗過程中，對板面處理的長時間有效性，被氧化鋁顆粒未顯示任何可見的邊緣退化所證實。

針對大規模製造中，火山灰使用大量流失所造成的可觀製造成本，氧化鋁的使用，顯然具有一個較大的優勢。

五、結論

目前，針對傳統覆銅箔層壓板材料，在線抗蝕刻材料應用來說，水平傳輸表面清潔處理，仍然是非常普遍選用的技術。

精細印製線路及線間距需求的日漸增大，勢必很快導致傳統研磨刷清潔技術採用的被廢棄。

化學清潔處理，與其他幾種處理方法相比較，有現今發展之普遍態勢，應歸功於所選用化學藥物的良好表現，以及對薄形板材伸長變形及損壞的減少。

火山灰噴射清潔處理，該法的起始運用，也是爲了消除傳統研磨刷清潔技術運用可能帶來的板材損壞問題，但現在發現其有較大的使用限制，這些均源於該處理方法的弱作用，以及需要添置化學清洗工步。

氧化鋁顆粒噴射清潔處理，該法能保證對所需處理銅表面有較強的侵蝕能力。由於無刷輥設置，因此，僅有較小的操作人員干預依賴，而且，還可以從中獲得採用該法所帶來的其他優勢。最初選用該法，是因爲大規模製造需求，在經過權衡該法選用優勢和銅表面較佳處理性能的前提下所決定的。無論如何，浸金前印製板的銅表面處理選用方法是其一個非常重要的應用。

利用火山灰尤其氧化鋁和尼龍刷的磨刷清潔處理，仍然是運用非常普遍的表面處理方法。寬廣的工藝控制窗口，在所有環境條件下，能確保持續處理質量，以及處理設備低維修設計實用性，是該處理方法能長時期獲得成功的主要原因。

選用氧化鋁的磨刷清潔處理，是一種最佳組合，可以獲得與採用火山灰磨刷清潔處理同等的表面處理質量。而且，該法的選用，還增添了所用磨料的超佳性能優勢：更爲一致的顆粒尺寸，長壽命，較潔淨的工作區域以及污水處理問題的減少。

對於上述兩種磨刷方法，無論選用火山灰或氧化鋁顆粒，處理中磨料顆粒作用和尼龍刷對銅表面的切線作用的共同結合是任何嚴峻條件下，針對所有抗蝕材料於銅表面獲得均勻一致超清潔效果的保證。