干膜(Dry film)是相对湿膜(Wet film)而言的,干膜是一种高分子材料,它通过紫外线的照射后能够产生一种
聚合反应,形成一种稳定的物质附着于板面,从而达到阻挡
电镀和蚀刻的功能。干膜是制作印刷电路板(PCB)的重要耗材,广泛应用于微电子行业和电路板制造行业。
研究简史
1968年,美国杜邦(DuPont)公司首先报导了以Riston命名的溶剂显影型的光致抗蚀干膜(Dry film photoresist),并应用于
印刷线路板(Printed Circuit Board,PCB),且从那时起在印刷线路板制作中起主导作用。
1970年,戴娜化学(Dynachem)公司获得杜邦公司转让的非排他性许可证,推出了以Laminar命名的类似产品并生产上市。此后西德Hoechst公司也获得在欧洲出售光致抗蚀干膜的许可证。
1985年8月24日,由于Riston的专利保护期限到期,加上印刷电路板的微细化丝印法已不能满足发展着的要求,日本有大约20个公司开发了干膜抗蚀剂或液体抗蚀剂。
中国在七十年代初就开始研究光致抗蚀干膜,
成都科技大学和无锡化工研究院先后研制成功并推广生产,一开始研究的是溶剂型。
1975年,中国干膜研究开始转向水溶性干膜。
1977年,无锡电影胶片二分厂采用无锡化工研究院的技术开发了SXM-Ⅰ型水溶性光致抗蚀干膜(简称干膜或贴膜)。
1979年6月下旬,由化工部和四机部在四川
乐山召开有关生产、科研、使用三方面的技术协调会上,决定由无锡电影胶片厂和重庆东方红试剂厂进行批量生产。
九十年代,
苏南出现6~7家小厂生产干膜,水平一般,规模不大,较世界水平差距较大,只能制作一般的印制电路板,此时中国干膜总产量达100万平方米,年用量约需1000万平方米,大部分为进口。
1992年,化工部第二胶片厂联合沈阳感光院,
北京化工大学共同开发新的先进光致抗蚀干膜。
结构
光敏抗蚀干膜是一种由聚酯薄膜、聚烯烃薄膜及感光胶膜组成的三层夹芯结构:
聚酯薄膜
支持感光胶层的载体,使之涂布成膜,保护感光膜层不在操作过程中损坏或沾污,使用时该膜在曝光之后、显影之前除去,防止曝光时氧气向抗蚀剂层扩散,破坏游离基,引起感光度下降。厚度一般为25μm左右,为了提高干膜的分辨率,更多使用更薄的16μm厚度的PET薄膜。
聚烯烃膜
它是覆盖在感光胶层上面的保护膜,防止灰尘等污物粘污干膜,避免在卷膜时,每层抗蚀剂膜之间相互粘连。在压膜前去掉该层薄膜。一般使用约25μm厚的聚乙烯膜。
感光胶层
它是光敏抗蚀干膜的主体,事先已经染色。多为负性感光胶,即光聚合交联型的感光胶。根据材料的种类和用途不同,有多种规格,厚度为25~100μm,比一般液体感光膜厚几倍。通常情况下,感光胶膜越薄,膜层的解像度越高,但膜层的抗化学药品性能及物理性能降低。显影后的感光膜边缘清晰,对比度好,特别适用于反镀法,因为保护膜厚能长期耐电镀溶液浸蚀。正性胶即光分解型感光干膜虽有研究报导,但尚未在印刷电路上得到工业应用。
感光胶层成分
1.成膜树脂
成膜树脂也叫黏结剂或粘结聚合物,作为光致抗蚀剂的成膜剂,使感光胶黏结成膜,起抗蚀剂伪骨架作用,在光致聚合过程中不参加化学反应。需要具有较好的成膜性,也就是较好的挠曲性、韧性和抗强强度等物理机械性能,与光致抗蚀剂的各组分有较好的互溶性,与加工金属表面有较好的附着力,很容易从金属表面用碱溶液除去,有较好的抗蚀、耐镀、抗冷流、耐热等性能。阻焊干膜还需具备良好的耐高温和电气性能。
早期的抗蚀干膜用的粘合剂主要是一元高聚物,即
聚甲基丙烯酸甲酯类。后来发展为二元、三元以至四元高聚物。大都是
苯乙烯、
马来酸、
丙烯酸酯等单体的共聚物。三元、四元高聚物较一元、二元高聚物物理机械性能更全面、更完美。所以好的抗蚀干膜都采用三元或四元的高聚物做粘合剂。
溶剂型干膜主要使用
甲基丙烯酸酯的聚合物及其共聚物、
氯化橡胶、
氯化聚乙烯、
氯化聚丙烯等氯化聚烯烃,以及纤维素的衍生物等。使用这些粘结剂只能使用如
三氯乙烯、
醋酸丁酯之类的有机溶剂显影与去膜。
水溶性光敏抗蚀干膜,通常是在粘结聚合物的分子中引入亲水的羧基,这样方可在烯碱水溶液中进行显影。用得较多的有
丙烯酸或
甲基丙烯酸和其他单体的共聚物。共聚物中若含有羧基的单体组分占10~30%(重量)就可作成用稀碱水溶液显影的干膜。粘结剂分子中所含的羧基、羟基或氰基等极性基团可增加干膜与铜箔或其他金属材料的粘结性能,而引入苯乙烯链节则可提高抗蚀性。
聚苯乙烯——
顺丁烯二酸酐的衍生物(聚苯丁树脂)是比较理想的粘结聚合物。如果将它与醇或仲胺反应得到相应的酯化物或酰胺化合物,释放出自由羧基,因而使共聚物能够溶于稀碱水溶液。聚苯乙烯——顺丁烯二酸酐衍生物型的粘结剂,与感光胶中各组分的混溶性能良好并具有良好的成膜性,对铜箔表面有一定的粘附能力,具有良好的显影与去膜性能。
此外,含羧基纤维素的衍生物也可作为水溶型干膜的粘结剂。
上述粘结剂本身不含光敏基团,是属光惰性物质,它是依靠光敏单体的聚合反应形成三维结构的。
如果在粘结剂分子中引入光敏基团,能在紫外光照射下自身发生交联或与单体反应,使干膜在固化后交联度大、耐热性好。阻焊干膜要求耐热性好,常常使用这类粘结剂。例如,用含有光敏基团的聚苯乙烯——顺丁烯二酸酐衍生物作粘结剂,可以做成半水型或全水型的阻焊干膜。由于光敏性粘结剂的合成工艺比较复杂、成本较高而在抗蚀耐镀性方面又无突出的优点,故在一般的抗蚀干膜中较少采用。
2.光聚合单体
光聚合单体及低聚物是感光的重要组分。在光引发剂存在下,经紫外光照射,光聚合单体及低聚物发生聚合交联反应,使干膜的曝光部分变成不溶于显影液的交联网状结构,使聚合物的性能有较大的变化,以丧失碱溶性,而未曝光部分则可通过显影除去,从而得到有较强抗蚀或耐镀的图形。同时,光聚合单体及低聚物还是感光胶的增塑剂,直接影响干膜的韧性、抗冷流性及贴膜性等。
用于干膜的光聚合单体主要是高沸点(>100℃),易混溶的多官能团的不饱和酯类,广泛使用多元醇稀酸酯类及甲基丙烯酸酯类聚合单体。如果加入适量的单官能团或双官能团的单体则有利于改善干膜的柔韧性及可塑性,而加入像环氧丙烯酸树脂、聚氨基甲基酸丙烯酸酯等光敏低聚物则可提高其耐燃性,在阻焊干膜中往往使用这类组分。常用作抗蚀耐镀干膜的光敏单体有
三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、
季戊四醇三丙烯酸酯及三乙二醇双丙烯酸酯等。在光敏层中占25%~40%。因其基本上是液态化合物,在光敏层中可溶解基础聚合物调整整个光敏层的黏度,从而提高层压时与基板的附着性,此外还可提高曝光时活性基团的扩散性,使光聚合速度即灵敏度提高。
3.光引发剂
光引发剂也叫光敏剂,它是光致抗蚀干膜的关键成分,光引发剂一般是在紫外光照射下能分解成游离基,引发聚合和交联反应的物质。添加过多时稳定性差,过少时灵敏度低。光引发剂的种类很多,在干膜材料中常用的有安息香及其醚类、安息香二醚类、烷基蒽醌类及
二苯甲酮/胺类。其中烷基蒽醌,如叔丁基蒽醌、乙基蒽醌的光敏性最好,
安息香乙醚较差,其光敏顺序为:烷基蒽醌>二苯甲酮/胺>安息香二甲醚>
安息香甲醚>安息香乙醚。
影响干膜光敏性的因素较多,除光引发剂外,感光胶中所用的粘结剂、光聚合单体的种类用量及热阻聚剂等都有不同程度的影响。另外加入增感剂或多种引发剂并用可提高干膜的光敏性,有效地吸收光能引发单体聚合,增加聚合总速率和有效感光度。
4.增塑剂
为了增加干膜抗蚀剂的均匀性和柔韧性,降低贴膜温度,有时加入适量的外增塑剂。如三缩乙二醇二醋酸酯。
5.增黏剂
为了增加干膜抗蚀剂与铜表面的化学结合力,调节粘附性,克服干膜固化之后与铜箔界面上产生应力而粘附不牢引起的胶膜起皮翘起、
渗镀等弊病,在感光胶中加入适量的含氮杂环化合物作增粘剂,如
苯并三氮唑、
苯并咪唑、
吲唑及其衍生物等。这些物质能与铜箔表面形成配价键结构而提高粘附力。高分子粘合剂的极性和摩尔分子量同样会影响与支撑物之间的粘附力。低粘度体系对表面有较好的润湿能力和物理吸附力,但是体系较强的流动性或蠕变会降低光致抗蚀膜卷筒时的稳定性而使得卷筒边缘流边。
6.热阻聚剂
在干膜的生产及应用过程中,很多步骤需要接受热量,为了减少干膜在制造、运输、贮存以及贴膜、曝光等过程中发生热聚合,影响解象及显影性能,有时需要加入少量的热阻聚剂,如
对苯二酚、
对甲氧基酚等。
7.色料
曝光后,光聚合体系中的染色剂可以呈现出视觉上的差异,因此可以通过颜色检查显影前后的影像,便于修理和检查而添加色料。染色剂通常会吸收光或参与化学反应从而影响聚合反应的进行。然而,互补引发剂和化学惰性染料的发现使得在不降低曝光速度的情况下制定具有较高染色度的光聚合配方有了可行性。这些染料在引发剂吸收或者光源发射的区域内存在“空窗”或者吸收值最小,因此不会直接竞争吸收光化辐射。如
苏丹Ⅲ、
孔雀石绿、
甲基紫、
亚甲基蓝等。为了鉴别是否曝光或对位是否准确,有的加入适量的光致变色剂,做成在曝光时增色或减色的变色干膜。
8.阻燃剂
在阻焊干膜中常常加入芳香族的卤化物作为阻燃剂。但是,含有卤素的阻燃剂有可能对环境产生不良影响,因此有研究使用非卤素系阻燃剂,例如氮系、磷系(磷酸酯、缩合磷酸酯、氧化膦、膦、膦腈化合物等)等。但是,氮系化合物如果考虑对树脂的固化性的影响,则实用困难,而使用了磷系化合物时,树脂组合物的吸湿性存在升高的倾向,存在耐湿性、电可靠性降低的问题。
9.溶剂
为溶解上述各组分,必须使用溶剂。通常采用
丙酮、
酒精作溶剂。
分类
按显影方法
1.溶剂型干膜
使用有机溶剂作显影剂和去膜剂,例如用
三氯乙烷显影,
二氯甲烷去膜,这两种溶剂遇火不燃烧。醋酸丁酯等有机溶剂也可用作显影去膜,但易燃烧,很不安全。溶剂型干膜是美国最早研制并投入大量生产的一种干膜,七十年代初期投放市场的只有溶剂型的单一品种,中国早期也研制过。它的优点是技术成熟,工艺稳定,耐酸耐碱,应用范围广。但是,使用这种干膜需要消耗大量的有机溶剂,需要价格昂贵的显影和去膜设备及辅助装置,生产成本高,溶剂有毒,污染环境,所以日趋被水溶性干膜所取代,仅在特殊要求时才使用。
2.水溶性干膜
它包括半水溶性和全水溶性两种。半水溶性干膜显影剂和去膜剂以水为主,并加有2%~15%有机溶剂。全水溶性的干膜显影剂和去膜剂是碱的水溶液,它的特点时显影过程是个化学反应,碱性水溶液和没有感光的胶层起化学反应,生成溶解于水的物质。这不同于溶剂型显影的物理作用。这种感光胶(膜)不耐碱,pH>8.5的溶液有可能损害膜层。所以考虑以后的工艺流程时,要避免接触碱性溶液,如焦磷酸盐电镀液等。半水溶性干膜成本较低,而全水溶性干膜的成本最低,毒性亦小。全水型干膜是1975年投放市场的。由于这种干膜不用有机溶剂显影和去膜,大大减轻了环境污染,降低了使用成本,因而受到普遍重视。
按用途
可把干膜分为抗蚀干膜、掩孔干膜和阻焊干膜三种。
抗蚀干膜和掩孔干膜用作制造印制板图像,而阻焊干膜是涂覆在印制板成品板的表面上,有选择地保护印制板表面,以便在焊接元器件时,尤其是
波峰焊中的阻焊,防止导线和焊盘间的短路、桥接,它也是印制板表面的永久性保护层,能起到防潮、防霉、防盐雾等作用。为了适应印制插头碱性镀金与氰化镀金,还有所谓“光带”的耐镀金溶液的干膜。初期生产的主要是耐蚀与耐镀的产品,用于制作线路图形的抗蚀干膜。为了适应焊接与防护方面的需要,随后又出现了阻焊干膜。由于阻焊干膜的成本高,并且在应用中需要昂贵的真空贴膜设备,因此被飞速发展的液体感光阻焊剂所代替。
按规格
就干膜规格而言,在胶膜厚度、幅宽膜长等方面有不同规格。为了给曝光与检验定位提供方便,国内外都出现了变色干膜。
依据厚度的不同干膜可以分为四类:0.8 mil、1.2 mil、1.5 mil、2.0 mil。
0.8mil厚度干膜主要用于FPC精细线路制作。
1.2mil干膜主要用于精度要求高的内层板作业.
1.5mil干膜主要用于外层板作业,当然也可以用于内层板作业,但由于在较厚
蚀刻的过程中容易造成侧蚀而且成本相对较高,所以一般不使用其作内层。
2.0mil干膜主要用于一些较特殊的要求的板,比如说较大的孔径1.5mil干膜无法达到要求时,才使用到。
按性质
依据光刻胶性质不同,可以将干膜分为正性光刻胶和负性光刻胶两种。其中正性光致抗蚀剂干膜显影时不存在薄膜
溶胀的问题,因而分辨率相对较高,但是由于成本过高,应用受到限制,因此最常见的干膜是负性的光刻胶。
制备方法
溶剂型
溶剂型干膜感光胶,是最早出现的干膜感光胶,品种很多。最早出现的Riston 6干膜其构成如下:
把这个配方的组合物,经过专门的流延嘴,涂布到0.003mm厚的聚酯薄膜上,在71℃干燥,制得厚度约为0.009mm的薄膜,接着把厚度为0.003mm的聚乙烯薄膜用橡胶加压滚筒在16℃下层压到上述干燥的涂膜上。这样得到的层压材料,可用一般方法卷起来保存,留待以后使用。
一般采用三氯乙烯显影,显影温度在20℃左右。显影用有机溶剂,会影响操作者的健康,因此对显影设备的密闭性、吸风排气性都有一定的要求。溶剂型没有水溶液型的干膜感光胶使用起来方便。
水溶液型
水溶液型干膜感光胶的组成配方很多,它主要是由成膜物质、光敏性单体、染料(或颜料)、光引发剂、溶剂配成。成膜物质为苯酐树脂,实际是一种粘结剂,它把各组分粘结成膜,提供膜的韧性。
光敏性单体为季戊四醇三丙烯酸酯,它在光引发剂的作用下能进行聚合和交联。光引发剂是安息香乙醚、二苯甲酮和
苯骈三氮唑,它能吸收紫外光促使光敏单体聚合交联。染料用孔雀石绿、甲基紫等,主要是着色,要求易溶于溶剂,并于其他组分不起作用,溶剂用丙酮。
例如SXM-Ⅰ干膜抗蚀剂主要是以苯乙烯与顺丁二烯酸共聚物为导入母体,经由醇类和仲胺改性或导入感光基而制得成膜高分子或感光性高分子。再加入季戊四醇三丙烯酸酯或四丙烯酸酯等单体或齐聚物和光引发剂(二苯甲酮-米蚩酮)以及热阻聚剂、
酞菁蓝(绿)等组成感光组成物。
制作时可在感光树脂的丙酮溶液中加入光敏引发剂、热阻聚剂、染料及多种助剂,配成胶液,在一定温度下涂布于聚酯薄膜上,加热干燥得到抗蚀膜,再在上面覆涂一层聚乙烯膜,收卷成筒,即为产品。
一般显影采用2%(重量百分比)的碳酸钠或
磷酸三钠的水溶液,因为这种感光膜不耐碱,所以最后去膜用5-10%的NaOH的水溶液。
性能参数
外观
质量好的光致抗蚀干膜必须无气泡、颗粒、杂志、厚度均匀、颜色一致。如果干膜存在上述要求中的质量缺陷,就会增加图像转移后的修版量,严重时甚至不能使用。
上表所列指标缺陷是1983年干膜技术协调会议对于普通干膜的基本要求,随着生产技术水平的不断提高,虽然技术要求还没有修订,但高质量干膜要求外观几乎没有任何缺陷,因此该数字指标与如今干膜产品的应用工艺技术有差距,不过在评价干膜产品的技术内容上仍有参考价值。
厚度
在产品说明书上都会标出干膜的厚度(注意是光致抗蚀膜层的厚度,而不是包括聚酯膜和聚乙烯膜的整个干膜厚度),可根据不同的需要选择不同厚度的感光膜。精细图文可选用光致抗蚀层厚度为25μm的干膜;图形电镀可选用光致抗蚀层厚度为38μm的干膜;需要进行遮蔽的孔或需要长时间蚀刻的场合。可选择光致抗蚀层厚度为50μm的干膜。生产中要求干膜涂布均匀,平整。厚薄公差不能超过±3.5μm。
使用性
聚乙烯保护膜的剥离性要好,易于剥离同时保护膜不得粘连抗蚀层。当在加热加压的条件下将干膜贴在金属表面时,贴膜机热压辊的温度(105±10)℃,传送速度0.9~1.8 m/min,线压力0.54 kg/cm,干膜能良好地和金属表面粘贴牢固。
光谱特性
干膜必须有确定吸收区域波长及安全光区域。技术要求规定:干膜的吸收区域波长为310~440 nm,安全区域波长为≥460 nm。高压汞灯及卤化物灯在近紫外区附件辐射强度较大,均可作为干膜曝光的光源。
低压钠灯主要辐射能量波长范围为589~589.6 nm,且单色性好,所发出的黄光对人眼睛较敏感,明亮,便于操作,故可选用低压钠灯作为安全灯。也可选取用专用的冷光源紫外灯进行曝光,冷光源安全灯作为暗室安全灯。
感光性
1.感光速度
感光速度是指光致抗蚀剂在紫外光照射下,光聚合单体产生聚合反应,形成具有一定抗蚀能力的聚合物,所需要的光能量的多少。在光源强度及灯距固定的情况下,感光速度表现为曝光时间的长短,曝光时间短,即为感光速度快。从提高生产效率和保证图文精度来考虑希望干膜的感光速度越快越好。
2.曝光宽容度
最大曝光时间与最短曝光时间之比称为曝光时间宽容度。干膜曝光一段时间后,经显影,光致抗蚀层已全部或大部分聚合,并具有技术条件所要求的抗蚀性能,该时间称为最短曝光时间或最小曝光量。将曝光时间继续延长,使光致抗蚀剂聚合得更彻底,且能正常显影,显影后得到的图文尺寸仍与照相底版尺寸相符,显影后的抗蚀层满足技术条件要求的抗蚀性能及附着性能,该时间称为最大曝光时间或最大曝光量。通常干膜的最佳曝光时间选择在最短曝光时间和最大曝光时间之间,干膜产品说明书都有一参考曝光时间,根据这一参数经多次实验很容易得到最佳曝光时间。
3.深度曝光特性
干膜的深度曝光特性很重要,曝光时,光能量因通过光致抗蚀层和散射效应而减少。若光致抗蚀层对光的透过率不好,在光致抗蚀层较厚时,会造成上层曝光量合适,下层就可能不发生聚合反应,使显影后光致抗蚀层边缘不整齐,影响图文的精度和分辨率,严重时抗蚀层容易发生起翘和脱落现象。在这种情况下,为使下层能完全聚合,必须加大曝光量也就是延长曝光时间,上层就可能曝光过度。因此深度曝光特性的好坏是衡量干膜感光质量的一项重要指标。
4.深度曝光系数
第一次响应时间的光密度和饱和光密度的比值称为深度曝光系数,此系数的测量方法是将干膜贴在透明的有机玻璃上,采用透射密度计测量光密度。深度曝光系数的测试比较复杂,且干膜贴在有机玻璃板上与贴在金属板上的情况也不相同。所以为简便测量及符合实际情况,以干膜的最短曝光时间为基准来衡量深度曝光性,其测量方法是将干膜贴在金属板上后,按最小曝光时间缩小一定倍数曝光并显影,再检查金属板表面上的干膜有无响应。
显影能力
1.显影性:干膜的显影性是指干膜按最佳工作状态贴膜、曝光及显影后所获得图文效果的好坏,即图文应是清晰的,未曝光部分的感光胶层应去除干净无残胶。曝光后留在金属板面上的抗蚀层应光滑、坚实。
2.耐显影性:干膜的耐显影性是指曝光的干膜耐过显影的程度,即显影时间可以超过的最大限度,耐显影性反映了显影工艺宽容度。
干膜的显影性和耐显影性直接影响到图文的转移质量。显影不良的干膜会给蚀刻带来困难。干膜的耐显影性不良,在过度显影时,会产生干膜脱离或边缘起层等质量故障,这些缺陷严重时,将直接导致生产不能正常进行。
分辨率
分辨率是指在1 mm的距离内,干膜抗蚀剂所能形成的线条(或间距)的条数,分辨率也可以用线(或间距)的绝对尺寸的大小来表示,分辨率也可称为解像度。干膜的分辨率与抗蚀膜的厚度有关,抗蚀膜层越厚,分辨率越低。光线透过照相底版和聚酯薄膜对干膜曝光时,由于聚酯薄膜对光线的散射作用,使光线侧射,因而降低了干膜的分辨率,聚酯薄膜越厚,光线侧射越严重,分辨率越低。普通干膜的技术要求规定,能分辨的最小平均线条宽度,一级指标≤100 μm,二级指标≤150 μm。
耐蚀刻性
技术要求规定,光聚合后的干膜抗蚀层,应能耐FeCl3蚀刻液、(NH4)2S2O8蚀刻液、酸性CuCl2蚀刻液、H2SO4-H2O2蚀刻液的蚀刻。在上述蚀刻液中当温度为50~55℃时,干膜表面应无发毛、渗漏、起翘和脱落现象发生。在酸性光亮镀铜、氟硼酸盐普通镀铅锡合金或光亮镀铅锡合金、光亮镀镍及上述各种电镀前酸性处理溶液中,聚合后的干膜抗蚀层应无表面发毛、渗镀、起翘和脱落现象发生。但经聚合后的干膜不抗酸性硫脲溶液,所以使用干膜的图形不可以进行图形化学镀锡。
去膜性能
曝光后的干膜,经蚀刻或电镀后,可以在强碱溶液中除去。一般采用3%~5%的NaOH溶液,除膜温度50~60℃,以机械喷淋或浸泡方式去除。去膜速度越快越有利于提高生产效率,去膜形式最好是呈片状剥离,剥离下来的碎片通过过滤网1除去,这样既有利于延长去膜溶液的使用寿命也可以减少对喷嘴的堵塞。经聚合后的干膜用乙醇和丙酮也能很好去除,这对于铝合金表面光致抗蚀膜的去除非常有利,因为铝是两性金属如果用强碱去膜会对铝表面产生腐蚀,影响美观。
干膜技术要求规定:在3%~5%的NaOH溶液中,温度50~70℃,一级指标去膜时间为30~75 s,二级指标去膜时间为60~150 s,去膜后表面无残胶。
性能特点
干膜抗蚀剂与丝印印料相比有下列优点:
1.省去丝印及干燥工艺,也无需排气,操作简便,便于自动化作业。
2.印刷电路板孔内侧不进入也不残留抗蚀剂,有利于下一步电镀。
3.线条细度可由丝印的100~150 μm提高至75~100 μm。
它的缺点是:
1.由于有25 μm左右聚酯膜隔离掩膜与抗蚀剂,所以分辨率达不到很高。
2.成本较高。
为了提高干膜光阻剂的分辨率,科研人员从不同方向提出了提高分辨率的方法:
1.采用平行光曝光机:曝光时采用平行光曝光机,在光传播到底片处时,在曝光区域光波以垂直的方式直接入射曝光,不会因与底片间的角度而使要求曝光的范围变大,因而可以提高分辨率。
2.减少PET厚度:PET作为光致抗蚀干膜结构中不可缺少的部分,曝光时处于抗蚀剂层和底片之间,对光致抗蚀干膜的分辨率产生一定的负面影响。为减少PET对分辨率的影响,其厚度已从最初的25 μm减少到16 μm.当然PET越薄越好,但是对于再薄一些PET的生产技术也有一些难度,对生产设备也提出更高要求,同时PET在某些方面的应用也会受到限制。
3.曝光波长选择短波长:短波长的光在曝光时产生的子移较少,可降低对分辨率的影响。选择短波长同时要考虑光引发剂的吸收,应使波长落在光引发剂的最佳吸收波长范围内。二者互相制约,也限制了波长的选择。
应用领域
印刷电路
在印制电路制作中,主要有以下三种方法:
印制
用以制造单面板,不需孔化的双面板和多层板的内层,采用阴纹照相底片,经曝光显影后制出抗腐蚀图形。
工序为:敷铜板⇢贴膜前处理⇢贴膜⇢曝光⇢显影⇢蚀刻⇢去膜。
蚀刻液为酸性氯化铜或三氯化铁。
图形电镀
用于制造金属化双面板和多层板的外层,将干膜贴于孔化后的敷铜板上,用阳纹底片经曝光,显影制出阴纹图形,线路图形露铜部分再镀以抗蚀性金属,干膜的作用是用以作抗电镀保护层。
工序为:敷铜板⇢钻孔⇢孔金属化⇢贴膜前处理⇢贴膜⇢曝光⇢显影⇢图形电镀铜⇢图形电镀锡/铅⇢去膜⇢蚀刻。
蚀刻液通常用碱性氧化铜或硫酸——过氧化氢腐蚀液。
掩蔽
堵孔法的延伸,采用阴纹照相底片。将干膜转移成焊盘和电路的保护层,以便蚀刻过程中金属化孔得到复盖保护。
随着大规模集成电路的广泛应用,印制电路板上连接各元器件的线条越来越细。因此对布线密度,线条精度及产品的可靠性方法提出了越来越高的要求,现代印制电路技术水平,是以在2.54 mm标准坐标网格两个焊盘间通过的导线数为标志。
LDI成像
LDI是激光直接成像技术(Laser Direct Imaging),主要用于PCB工艺中的曝光工序,与传统的底片接触曝光方法有所不同,最显著的特点是曝光过程中不使用底片,且利用高能激光束直接扫描的方法将图形转移到涂有光致成像剂的覆铜板上。
液态光致抗蚀剂,俗称湿膜,以及半固态的光致抗蚀剂,俗称干膜,都可以用LDI图形转移技术,但是存在两个问题:(1)用于内层板的制作时Maker点都无法识别,仅可以用于有定位孔的外层双面板;(2)曝光时间特别长,扫描一面大约需要40 s以上的曝光周期。
研究发现,紫外感光成像中的“光致变色”技术可以用来解决UV Maker点的识别。即:当紫外线照射光致抗蚀剂(可变色)产生变色剂后,只要感光部分与未感光部分形成非常明显的对比即可,实际使用中,只需确定好变色材料的种类和添加量就能够解决识别问题。至于光致抗蚀剂感光灵敏度问题,主要与光引发剂、成膜物质的反应活性、光固化单体的反应活性有关。
微流控芯片
微流控芯片(microfluidics)又称“芯片实验室”,是将样品制备、试剂输送、生化反应、结果检测、信息处理和传递等一系列复杂工作过程集约化形成的微型制备、分析系统,构建在一块几平方厘米芯片上的生化实验室。在微泵、微阀等元件的控制下,整个制备、分析进程将受到精确控制。
微流控芯片微加工技术最初主要借鉴电子领域已有成熟技术,主要包括光刻技术和蚀刻技术。通过微加工技术得到的微流控芯片还是一种全开发的半成品,在使用之前需要进行封装键合,把不同的功能单元进行组合连接,将盖板基片封装到半成品的微流道上,并在一定的位置进行打孔作为流体交换的通道。如果封装键合的不成功,微流控芯片就不能发挥应有的功能。常用的封装方法有:热封接、阳极键合、低温键合、表面活化辅助封合、有机溶剂粘接法己氧化法等。。
有研究使用干膜微加工工艺,制造了具有50×30 μm微流道的微流控芯片,用于488/512 nm的荧光检测,并且成功高效分离荧光染料APTS和其三种衍生物糖。这种微流控芯片的微流道在密封前易于使用色谱颗粒进行填充,因此在固相萃取和液相色谱方面具有应用潜力。
封装纳米通道
纳米通道可用于DNA分子的研究和分析,因为DNA分子在长且平坦的纳米通道中会展开来。为了使DNA分子能完全伸展开来,纳米通道需要长达几十微米,例如长750 µm,直径300 nm的纳米通道就可以有效用于DNA分子的研究。有很多方法可以制备纳米通道,常用的有纳米压印、晶片键合或刻蚀预先嵌入的牺牲层。其中利用刻蚀预先嵌入的牺牲层的方法进行纳米通道的制作,属于湿法制作。为了提高刻蚀效率,会在纳米通道附近设置很多微孔。在制作完成后,微孔需要密封。传统的封装过程,如薄膜封装或晶圆键合,需要高温(>100℃)和/或真空条件。这意味着纳米通道必须在封装过程之前被干燥。当干燥湿的纳米通道时,特别是对于较浅的间隙,容易导致纳米通道完全或部分堵塞。而且干燥后的纳米通道中充满了气体,实际使用时需要使用高压液体进行替换,但这样也无法保证能将气体完全排出。有研究成功使用感光干膜在低温下进行湿法微孔封装,这种方法无需干燥,但是干膜在贴膜时,辊轮的压力会使纳米孔道中的部分液体溢出,因此纳米管道需要比基材短一点。同时需要注意干膜的热膨胀系数,如果与衬底差距太大的话,封装的纳米通道在较高的使用温度下会出现干膜脱落的情况。
制造微纳模具
微纳加工技术中的模塑成形是以微纳模具为母板,通过外加载荷等强迫材料发生变形和流动,填充母板空隙,形成微纳结构的方法。微纳模塑成型主要有热压、注塑、纳米压印、转移模塑、毛细模塑、挤出成形等,具有高效率、低成本、尺寸一致性好等优点,适合批量生产。微纳模塑成形是批量化加工微纳器件的主要途径,并适用于金属、复合、陶瓷等材质成形,具有设备投入少、环境要求低、效率高、制作一致性好等优点。微纳模塑成形主要发展方向是:成形精度和一致性控制;快速和低成本的纳米结构成形;复杂微纳结构成形所用的模具加工等。微纳模具是保证塑性成形精度的关键,常用模具钢、镍等金属材料加工模具,常用的加工金属微模具的方法有微细电火花、微电铸(
LIGA)等方法。例如有研究使用干膜作为微电铸制作的微纳模具,实现50 µm厚陡直外壁的四层镍微齿轮的制作。
微细电解加工
微细电解加工技术(Through Mask Electrochemical Micromachining,TMEMM)是将光刻技术引入到电化学加工技术中的一种微细电化学加工方法,能加工出微米甚至亚微米级的复杂形状,可用于微小孔群、大规模集成电路、印刷电路等多种金属薄壁零件和微机械元件的制造,是宇航工业、微电子工业和微机械工业的重要加工技术之一。该工艺通常先在工件表面涂覆一层具有感光性能的掩膜,并使其与基材紧密结合,经曝光、显影,在工件表面上制备特定图案的遮蔽层,再通过电化学工艺(一般微电解加工)去除未被保护的工件材料,最终加工出所需图案。其中使用光致抗蚀干膜替代传统干膜作为掩膜,更加便于涂膜。
柔性OLED
有机发光二级管(OLED)显示主要依靠透明电极,这些电极不但导电,还能让显示屏发出的光透出去。传统的透明电极材料叫做氧化铟锡(ITO),这是一种陶瓷材料,一弯曲就很容易破碎。后来出现了用导电纳米材料来制作透明电极,主要包括碳纳米管、富勒烯、石墨烯、金属纳米线如银纳米线等。这样制备的成本相对较高,但为大面积柔性触摸显示屏奠定了基础。光刻胶在制作中用作制造绝缘层,使用时需要进行涂覆和烘固等步骤,工艺相对比较复杂。光刻胶的使用工艺过程可能会导致纳米材料透明电极的导电性能损失,同时还阻碍了在纸基基材上制作透明电极。而使用干膜可以将该工艺简化为简单的一步热压,并且能够适用于多种基材。有研究使用干膜成功制作了银纳米线OLED透明电极。
制造微悬臂梁
微悬臂梁是指安装在
原子力显微镜(AFM)上,用于对样品表面进行探测的微传感器,是既包括平板形结构也包括顶部针尖式结构的整体概念,并非单指平板结构。在基于AFM的力学测试中,微悬臂梁是连接被测量力和AFM输出信号的重要桥梁。AFM微悬臂梁的制造工艺流程,首先需要对硅片氧化,开一正方形窗口,接着对硅片进行各向异性刻蚀,得到微悬臂梁前端形状,然后化学蒸镀生成Si3N4膜,并对其刻蚀成微悬臂梁图案;再将玻璃与硅片进行阳极键合,这是有铬层的地方不粘连在一起;去掉带铬部分的玻璃;在微悬臂梁背面蒸镀一层金属(作为微悬臂梁弯曲变形光学反射膜)后,去掉所有的硅片衬底,则得到了前端很尖锐的微悬臂梁。有研究使用干膜光刻胶制备了一种用于含硅探针的AFM探测头的聚合物微悬臂梁,该微悬臂梁具有弹性模量低、生物相容性等特定,该方法有望用于更薄、更灵敏的悬臂梁的实现。
其他
光敏抗蚀干膜除了在印制电路技术中得到了广泛应用外,还在诸如微波技术,薄片金属零件的光化铣切、面板表牌、标尺刻度等工艺中得到越来越多的应用。可进一步拓宽其应用领域,如应用于柔性电子、可穿戴设备、引线框架、太阳能电池、导体封装、Ball Grid Array封装、Chip Size Package等领域。
应用工序
光敏抗蚀干膜为精密图形的转移创造了条件,但合理的工艺才能发挥这种材料的独特性能。干膜感光胶种类很多,它们的操作工序各有不同,不可能全部介绍。主要介绍溶剂型和水溶液型干膜感光胶的操作过程。
下面介绍一种有代表性的溶剂型干膜感光胶的操作工艺:将敷铜箔层压板进行去污处理,然后用水喷淋冲洗干净,接着在稀盐酸中(2体积水加1体积浓盐酸)浸20 s,用水洗后,干燥。把感光材料上的聚乙烯膜撕去,感光膜面和铜箔面贴合进行压合。压合温度120℃,用包有橡皮的滚筒压,接触点压力0.54 kg/cm2,速度为61 cm/min。连同聚酯薄膜一起进行曝光,用2500W、45A炭精灯,距离为25.7 cm,照射5 s。曝光后撕去聚酯薄膜,留下的是粘牢在铜表面上的曝过光的感光膜。在三氯乙烯喷雾中显影30 s。显影后,在45℃的三氯化铁溶液中,腐蚀出线路。最后用毛刷或浸二氯甲烷去除感光膜。
水溶型干膜感光胶的操作方法(图形电镀工艺):印制板事先已孔化预镀铜,用水砂纸打磨铜箔表面,干燥后进行贴膜。铜箔板预热温度100~110℃,用滚筒手工滚压。再进行曝光。曝光后撕去聚酯薄膜,在0.3%NaOH水溶液中用刷子刷洗显影。在30~40℃下显影1~2 min,图形显示清晰后,移到0.1%~0.2%NaOJ水溶液中除去残胶,用水冲洗干净。然后酸性镀铜加厚,并在氟硼酸溶液中电镀铅锡合金(保护金属层)。电镀完毕,在50℃的5%NaOH水溶液中浸泡去膜,感光膜膨胀,脱落,在流水中用刷子刷净,再送去腐蚀。
因此,应用光敏抗蚀干膜进行图形转移的工艺流程是:基板准备⇢贴膜⇢曝光⇢显影⇢修版⇢蚀刻(或图形电镀后去膜蚀刻)。
基板准备
基板准备又称预处理或前处理,基板的清洁处理根据不同的材料及用途,清洁方法有一定差异。主要分成两类:线路板的清洁处理和其他金属材料的清洁处理。主要介绍线路板的清洁处理。贴膜前的线路板版面,包括敷铜箔基板与成孔化学沉铜之后的基板。前处理的目的是除去铜箔表面的氧化物,同时暴露出有利于干膜和铜表面结合的有一定活性的铜表面。其结合力分为机械力和化学力两种。因此影响结合力的因素为:接触表面积、接触角和界面化学作用力(包括分子间的范德华力、极性键力等)对此需要通过前处理制造出一定的表面微观粗糙度,保证干膜与铜箔表面之间有良好的附着力避免因贴膜不牢造成的脱膜、短路或渗镀等现象。
前处理质量的好坏直接影响到干膜和覆铜箔板的附着力,检验前处理质量的好坏通常需要做水膜试验和刷痕试验:水膜试验的方法是定期抽取处理后的覆铜箔板,完全浸人水中,将板子取出后垂直放置,覆铜箔板表面应该均匀的附着一层水膜 水膜能保持15 s以上不破为合格;刷痕试验的方法是取一块和刷板机刷辊一样宽的覆铜箔板,放置于刷板机的刷辊处,停止传动后打开刷辊开关,几秒钟后关闭刷辊开关,取出覆铜箔板观察刷痕,刷痕的一般要求是刷痕均匀,宽度约8 mm为宜,若宽度过窄说明刷辊压力过小,若刷痕宽度过宽,说明刷辊压力过大,若刷痕呈“狗骨”状,说明刷辊需要修理或更换。
预处理包括下面三点要求:1.铜箔清洗,要求一点没有油污;2.清洗后的基板要加温预热;3.铜箔表面要没有缺陷和划痕。对于抗蚀耐镀型的干膜而言,对基板的清洁处理与液体感光的要求内容相同,只是它是在干态下贴膜,基板在仔细清洗之后,再用洁净的纱布揩去板面积水,然后入烘箱。干燥过程中温度不宜过高,一般控制在80~90℃。在揩干积水之前最好能用蒸馏水或去离子水清洗一次。干燥过程中要防止氧化,如果氧化严重则会导致电镀或蚀刻中的渗镀或钻蚀。基板的干燥也可用经去油处理的压缩空气吹干,但务必防止油污灰尘带入。对于金属化孔的基板,切忌指印污染。清洗干燥后要用洁净纸张封装。为了减少环境对基板的污染,干燥与贴膜之间的时间间隔不宜过长。
把干膜压合到铜箔板上时,需要一定的温度。感光膜是经过预热后趁热压合在铜箔板上的,如果铜箔板不预热,在压合时就起散热器的作用,使压合温度显著降低,结果感光膜和铜箔板结合不牢。
对铜箔表面状态的要求也严格,铜箔表面如有缺陷和划痕,感光膜不可能完全盖住(液体感光胶,因为是液体,凹痕内可以填充),腐蚀后,在感光膜下面的铜箔被腐蚀掉很大一片。对于有多层金属线路和介电材料的互连结构,增加底层形貌的平整度非常重要。顺序积层的质量和光刻的分辨率主要取决于表面的平整度。随着图形的特征尺寸不断减小,平整化水平变得越来越关键并且越来越难以控制,在旋涂涂覆工艺中,绝缘薄膜可局部改变底层形貌平整度。由于溶剂的蒸发和固化导致聚合物薄膜的收缩降低了聚合物的平整化性能。通常采用平整度(DOP)的概念来评价含有不同线宽和间距线路的单面板和多层板的平整化性能。如果制造非常精细的线路,需要具有优异的平整度(DOP>95%)。光滑表面的粘附性通常不能满足要求,所以在进行涂胶前,对接触表面进行机械加工或者化学处理。机械加工的一种方法是将树脂对着铜箔的反面模塑成型,然后再将铜箔蚀刻掉,得到一定的表面粗糙度。在理想状态下,表面粗糙度越低,所得到得图形分辨率越高,图形得精度越高,也就是当Rt、Ra都为0,DOP为100%时,得到理想得平面。在此平面上制作得图形可以达到理想得情况。实际工艺生产中,不可能存在理想平面,在制作精细线路方面,要考虑两个相互矛盾得方面:(1)要达到精细得图形精度,表面粗糙度越小越好;(2)要使干膜或其它抗蚀材料与铜箔表面有良好得结合力,必须保持表面有一定得粗糙度。研究表明。表面平整度越高(DOP>95%),表面粗糙度适当(5 μm>Rt>2 μm和0.6 μm>Ra>0.2 μm),才能得到边缘清晰、结合力良好、无缺陷得精细线路,可以采用机械刷磨和化学方法相结合处理方式得到较理想的铜表面。
通常的操作步骤是:刷洗板面(注意不要引起过深的磨痕),清洗,在过硫酸铵溶液中略微腐蚀一下,清洗,浸酸(一般用稀硫酸溶液),清洗,预热。可以概括为手工清洗、机械清洗、化学清洗和电解清洁四类,而机械清洗机又分为磨料刷辊式刷板机(磨刷)和浮石粉刷板机(喷砂)两种,主要用的是前一种。电解清洁在线路制作中很少采用。
手工清洗
通常先用5%的稀硫酸泡去氧化层,后用木炭在流水下手工磨板,以除油和粗化板面。
机械清洗
1.磨料刷辊式刷板机
①刷板流程:入板→稀酸洗→循环水洗→水洗→磨刷→水洗→吹干→烘干→出板
②刷板机刷子:分为压缩型和硬毛型。前者是将粒度很细的碳化硅或氧化铝磨料粘结在尼龙丝上,然后将这种尼龙丝制成纤维板或软垫,经固化后切成圆片,装在一根辊芯上制成刷辊。这种刷子因含磨料粒度很细,并且刷辊对被刷板面的压力较大,因此刷过的铜表面均匀一致,可用于多层板内层板清洗。其缺点是由于尼龙丝较细容易撕裂,使用寿命短;后者通常是由含有碳化硅磨料的直径为0.6 mm的尼龙丝编绕而成。其显著特点是尼龙丝耐磨性好,因而使用寿命长,大约是压缩刷子的10倍,但是这种刷子不宜用于处理多层基板。因多层基板薄,不仅处理效果不理想,而且还会造成卷曲。磨料粒度不同,用途也不同,通常粒度为180目和240目的刷子用于钻孔后去毛刺处理,粒度为320目和500目的刷子用于贴干膜前基板的处理。在使用刷辊式刷板机的过程中,为防止尼龙丝过热而熔化,应保持不断向板面喷淋自来水进行冷却和润湿。这种刷板机虽然是应用得较多的一种刷板方式,但这种方式也有缺陷,如在表面上有定向的擦伤,有耕地式的沟槽,有时孔的边缘被撕破形成椭圆形,由于磨刷磨损,刷子高度不一致而造成处理后的板面不均匀等。此类刷板机在使用时应注意控制放置板子的位置,避免只使用中间段的刷辊,尽可能使左右和中间的刷辊磨损保持一致,使用一段时间后,当刷辊中间的磨损明显比左右两边大时,则需要对刷辊进行打磨整理或者更换。
③刷板品质控制:刷板及工作过程中应经常检查刷子的长度,避免过短造成刷板质量缺陷。贴膜前板面的干燥很重要,残存的潮气往往是造成砂眼或贴膜不牢的原因之一,因此必须去除板面及孔内的潮气,以确保贴膜时板子是干燥的,检查刷板机内的烘干机和风刀,发现堵塞立即清除。刷板过程中的水洗非常重要,往往水洗不干净会造成贴膜、显影、电镀等一系列缺陷,导致产品报废。检验前处理效果的好坏,可做磨痕试验和水膜破裂试验予以验证,磨痕一般控制在12~18 mm,水膜破裂试验至少应大于15 s。
2.浮石粉刷板机
这种方法采用低压喷砂使火山岩粉末(浮石粉)喷向铜箔表面,再以尼龙刷研磨,其刷洗过程主要以下几个工段:尼龙刷与浮石粉浆液相结合进行擦刷;刷洗除去板面的浮石粉;高压水洗;水洗;干燥。
浮石粉刷板机处理板面有如下优点:
1.磨料浮石粉粒子与尼龙刷相结合的作用与板面相切擦刷,能除去所有的污物,露出新鲜的纯洁的铜;
2.能够形成完全砂粒化的、粗糙的、均匀的、多峰的表面,没有耕地式的沟槽等划伤;
3.由于尼龙刷的作用缓和,表面与孔之间的连接不会被破坏,适合处理细导线印制板;
4.由于相对软的尼龙刷的灵活性,可以弥补由于刷子磨损而造成的板面不均匀的问题;
3.由于板面均匀无沟槽,降低了曝光时光的散射,从而改进了成像的分辨率。
但是浮石粉对设备的机械部分易损伤,且浮石粉的硬度较小,使用一段时间浮石粉的棱角就会被磨掉,必须再次更换,比较麻烦也增加成本,所以更多采用氧化铝粉末来代替浮石粉。浮石粉刷板对去除基板表面的含铬钝化膜(铜箔表面防氧化剂)效果不错,但易划伤表面,并可能造成磨料颗粒(如碳化硅、氧化铝、浮石粉)嵌入基体内,同时还可能使挠性基板、多层板内层薄板及薄型印制板基板的尺寸变形。
化学清洗
1.微蚀法
先用碱性水溶液去除铜表面的油污,汗迹等有机污染物,水洗后再用酸性水溶液去除铜表面的氧化层和原铜基材上为防止铜被氧化的保护涂层,最后再进行微蚀处理以得到与干膜具有优良粘附性能的充分粗化的表面。化学清洗的特点是去掉铜箔较少(1~1.5 μm),板材不受机械应力的影响,对薄板材的处理较其他方法易于操作。但化学处理需要监测化学溶液成分的变化并进行调整,对废旧溶液需进行处理,增加了废物处理的费用。化学清洗去油污性较好,但去除含铬钝化膜的效果差。
2.粗化
粗化蚀铜主要原理为Cu+Cu2+=2Cu+;Cu+再在[O]作用下被氧化成Cu2+而再生。通过在粗化液里加入添加剂,保护铜晶粒,实现铜面晶间腐蚀,使铜面形成有序的微蜂窝状粗糙结构,显著增大铜面的表面积,使其更利于与干膜等粘附,对负片开路导损、正片渗镀短路改善明显,利于精细线路的制作。但是该工艺对过程管控要求较高,易出现铜面异色、龟纹、粗化不均以及退膜不净等问题。
电解清洗
电解清洗工艺过程:进料→电解清洗→水洗→微蚀刻→水洗→钝化→水洗→干燥→出料
1.电解清洗主要作用是去掉基板铜箔表面的氧化物、指纹、其他有机沾污和含铬钝化物。
2.为蚀刻主要作用是使铜箔形成一个微观的粗糙表面,以增大比表面。
3.钝化的作用是保护已粗化的新鲜的铜表面,防止表面氧化。
电解清洗主要用于贴干膜或涂覆液体光致抗蚀剂前的挠性基板、多层板内层薄板及薄型印制板基板的表面清洁处理。电解清洗的优点不仅能较好地解决机械清洗、浮石粉刷板及化学清洗对基板表面清洁处理中存在的问题,而且使基板产生一个微观的比较均匀的粗糙表面,大大提高比表面,增强干膜与基板表面的粘合力,这对生产高密度、细导线的导电图形是十分有利的。它虽然具有诸多优点,但对铜箔表面环氧腻污点清洗无效,废水处理成本也较高。
从事干膜生产的人曾对贴抗蚀干膜最理想的表面进行测试和研究,用上述方法分别处理板面后,贴上干膜进行印制蚀刻和图形电镀的应用。结果发现,对于较大的线宽与间距,无论使用哪种清洁处理方法,合格率均趋向于100%,但当线宽为90 μm,用浮石粉刷板机处理,合格率下降为90%,其他方法依次下跌,最差的下降到60%。
注意事项:
1.清洗处理后,最好立即进行贴膜,若放置时间超过4 h,则应重新进行清洁处理再贴膜。
2.铜表面粗糙度会对干膜的附着力产生影响,铜箔表面太平滑会造成附着力差,太粗糙会造成电镀时渗镀或蚀刻时的侧蚀。
3.研磨后的干燥系统也十分重要,干燥不彻底会使铜箔表面再次形成氧化或产生白点,影响贴膜效果,通常先物理排水,如用空气刀干燥,然后将板子放入110±5℃的烘箱中烘10~15 min。为了避免交叉污染板面,烘箱应是专用设备。
贴膜
贴膜也称压合,干膜的贴膜是将撕去聚乙烯薄膜的胶层连同聚酯薄膜一起平整地粘附于敷铜基板上,然后在加热加压的条件下将光致抗蚀干膜粘贴在覆铜箔板上。干膜中的抗蚀剂层受热后变软,流动性增加,借助于热压辊的压力和光阻剂中粘结剂的作用完成贴膜。有研究表明,铜面经SNS处理、压膜前铜板的充分干燥己压膜后热处理均能提高与干膜光阻剂间粘附性。贴膜时要掌握好的三个要素为压力、温度、传送速度。一般如果贴膜温度过高,那么干膜图像会变脆,导致耐镀性能差,贴膜温度过低,干膜与铜表面粘附不牢,在显影或电镀过程中,膜易起翘甚至脱落。通常控制贴膜温度在100℃左右。
贴膜在贴膜机上进行。贴膜机的种类繁多,但基本结构是一样的。
贴膜的步骤是先将上下导热胶辊同时加热到贴膜温度,开启电源使之转动,调好压力;再将经过清洁处理的基板通过两个导热胶辊之间,使铜箔面与感光胶膜面接触。在一定的温度与压力下,感光胶膜紧密附着在铜箔面上。贴好之后,裁剪切边。贴膜可以连续贴,也可以单张贴。连续贴膜时要保证上下干膜送料辊的上、干膜要对齐,以防贴至板面的干膜发生折皱,单张贴膜时尺寸要稍小于板面。贴膜时要掌握好三个要素:压力、温度、传送速度。
•压力:新安装的贴膜机,首先要将上下两热压辊调至轴向平行,然后来用逐渐加大压力的办法进行压力调整。压力小,贴不牢;压力大,易出皱折。一般调至使干膜易贴,贴牢不出皱折即可,不需经常调整,一般压力可打至45±10 psi。另外对翘曲板和薄板要适当增加贴膜辊压力。
•温度:根据干膜的类型、性能、环境温度和湿度的不同而略有不同。膜涂布的较干、环境温度低、湿度小时,贴膜温度要高些,反之可低些。贴膜温度过高,干膜图像变脆,耐镀性差,贴膜温度过低,干膜与铜面结合不牢,在显影或电镀过程中,膜易起翘甚至脱落,通常控制贴膜温度在110±10℃。
•传送速度:与贴膜温度有关,温度高,传送速度可快些,温度低则传送速度调慢,通常传送速度为1~1. 5 m/min。
完好的贴膜应是表面平整,无皱折、无气泡、无灰尘颗粒等杂物。为保证显影的质量,贴膜后应经过15分钟的冷却及恢复再进行曝光。否则可能发生下列不良现象:干膜易发生热反应,产生显影困难;孔周围感光层变薄,采用掩孔工艺时容易发生破孔现象;当板与板之间有异物时会造成感光胶局部变形产生短路或断路现象。
贴膜中应注意如下几点:
1.温度和压力都要根据干膜的种类事先调好。一般导热胶辊的温度为100±10℃,线压力为0.5~0.6公斤/厘米,如果环境温度过低,可事先将基板预热到80℃左右,但要防止过热氧化。
2.导热胶辊的转速也受感光胶膜的厚度决定,一般控制在0.8~1.0米/分。如果感光胶膜较薄,转速可以加快,厚则减慢。这样有利于内外层胶温度的平衡,产生波动的胶纹。更有严重的是将胶挤入孔内,使孔壁受到污染。
3.操作应在黄光下进行,不能用白炽灯或日光灯照明。
4.贴膜机最好具有静电除尘装置,环境应防尘。条件尚不具备的也可采用手工贴膜。所贴之膜应无气泡、皱折或胶层流动而进入孔内。聚酯薄膜应保存平整,遮光保存。
5.压合之后的敷箔板,不能马上曝光,要放一段时间(例如15~30 min),冷却到室温才能曝光。
由于使用的是贴膜,感光膜的厚薄均匀程度,常常用均匀度这个概念来表达。一般干膜感光胶厚度变化在±0.1 mil(
密尔)的范围,所谓均匀度表达式如下:
例如:Riston 30s,名义厚度为2.9 mil。
对于0.75 mil厚度的感光膜,均匀度为76.4,即使这个数据也已经很不错了。
湿法贴膜工艺
湿法贴膜工艺即利用专用贴膜机,在贴膜前于铜箔表面形成一层水膜。利用水膜与可溶性干膜结合形成的流动性,在挤压下除去铜箔凹陷部位的气体,因而可在铜箔表面上形成与液体光致抗蚀剂相似的贴合性能。
定义:湿法贴膜工艺就是在贴干膜以前让铜箔表面形成一薄层水膜的工艺。
优点:该工艺改善了铜箔表面与干膜的敷形度,减少了由于表面不规则引起的产量下降,提高了细导线印制板的合格率。
原理:铜箔表面的水膜提高了不溶性干膜的流动性,表面上的水取代了刻痕、砂眼、凹坑和织物凹陷等部位上所滞留的空气。在加热、加压贴膜过程中,水对干膜抗蚀剂起着增塑剂的作用,增加了干膜的流动性,使干膜在铜箔表面敷形度提高。
贴膜过程:湿法贴膜示意如下图左所示,湿辊A将水转移至基板上。湿辊是一种海绵质的辊子,如下图右所示。水由湿辊A的两端进入并由中心管子和孔喷出。喷出的水被海绵吸收,以保证均匀地把水挤压到基板上。当板子走到热压辊B时,水膜介于干膜和铜箔表面之间。C辊的作用是将多余的水除去,D辊用来除去粘在B辊上多余的水。
曝光
曝光的过程和液体感光胶的曝光差不多。光敏抗蚀干膜在曝光是发生固化成像,干膜固化的过程是在紫外光照射下,吸收了光能量的引发剂分解成游离基。引发单体进行聚合及交联反应,形成不溶于稀碱溶液的体型大分子。其他组分都贯穿并包罗于体型大分子之中,发挥各自的作用。曝光一般在自动双面曝光机内进行。影响曝光成像质量的因素除干膜光致抗蚀剂的性能外,光源的选择,曝光时间(曝光量)的控制,菲林底片的质量等都是影响曝光成像的重要因素。
光源的选择上,要求是干膜光谱吸收主峰与光源发射主峰重叠或大部分重叠。最适宜的感光波长范围是300~400 nm(即紫外线部分)特别是在350 nm效果最好。由于聚酯薄膜能透过紫外线因此感光胶上面的一层聚酯薄膜在感光时不拿去,起保护作用。一般感光用的光源如炭精灯、紫外线荧光灯、高压汞灯、镝灯和碘镓灯都可使用,氙灯不适合;光源种类选定后,还应考虑选用功率大的光源,因为光强度大,分辩率高,而且曝光时间短,菲林底片受热变形的程度也小。如要使感光膜起封闭金属化孔作用,也要求光强度高一些。因为封闭在孔内的氧气会延缓聚合反应,强光源能产生自由原子团消耗掉氧,帮助聚合反应。氧能阻缓聚合反应,所以在曝光时保留一层聚酯薄膜,使感光膜和外界大气隔绝开来,保证聚合反应的充分进行。这也是使用聚酯薄膜的另一个重要原因。此外灯具设计也很重要,要尽量做到使入射光均匀性好,平行度高。
正确控制曝光时间是得到优良的干膜抗蚀图像非常重要的因素。当曝光不足时,由于单体聚合的不彻底,在显影过程中,胶膜溶涨变软,线条不清晰,色泽暗淡,甚至脱胶,在电镀前处理或电镀过程中膜起翘、渗镀,甚至脱落,图形电镀的线条变粗,使印制蚀刻的线条变细。当曝光过度时,会造成难于显影,胶膜发脆留下残胶等弊病,还会使图形电镀的线条变细,使印制蚀刻的线条变粗。通常生产干膜的公司都推荐使用某种光密度尺,干膜出厂时都标有推荐的成像级数,一般使用斯图费(Stouffer)21级光密度尺。
菲林底片的质量主要表现为光密度和尺寸稳定性方面。关于光密度,当最大光密度Dmax小于2.8时,紫外光可透过底片上的不透明区,使不透明区下面的干膜局部发生聚合;当底片上的最小光密度Dmin大于0.2时,紫外光难于穿过底片透明区,延长了曝光时间。为此建议底片的最大光密度Dmax大于4,最小光密度Dmin小于0.17,即在良好的挡光以及良好的透光时,菲林才是最好的。菲林底片的尺寸稳定性(指随温度、湿度和储 存时间的变化)将直接影响的制板尺寸精度的图像重合度。因此,菲林底片及其产品的生产、使用及储存最好均在恒温的环境中,采用厚底片也能提高底片的尺寸稳定性。
除此之外,曝光机的真空系统和真空曝光框架材料的选择等,也影响曝光成像的质量,参见目录《影响因素》。
曝光定位
1.目视定位:适合于重氮底片。重氮底片呈棕色或橘红色的半透明状态,但不透紫外光,透过重氮图像使底片的焊盘与印制板的孔重合对准,然后贴上胶带贴牢,即可进行曝光。
2.脱销定位系统定位:包括底片冲孔器和双圆孔脱销定位器。定位的方法是首先将正、反两张底片药膜面相对在显微镜下对准,将对准的两张底片用冲孔器冲两个定位孔,取一张冲好定位孔的底片去编钻孔程序,便能得到同时钻出元件孔和定位孔的数据带或数据盘,一次性钻出元件孔及定位孔,在孔金属化后预镀铜,便可用双圆孔脱销定位器定位曝光。
3.固定销钉定位:固定销钉分为固定照相底片和固定印制板两套系统,通过调整两销钉的位置,实现底片与印制板的重合对准。
曝光后,聚合反应还要一段时间,为保证工艺的稳定性,曝光后不要立即揭去聚酯膜,以使聚合反应持续进行,一般停置时间需要15 min以上,待显影前再揭去聚酯膜。
显影
溶剂型干膜的显影是用有机溶剂将未交联的胶膜溶解的过程。而水溶型的干膜的显影过程是利用碱的水溶液对未曝光部分的活性基团反应生成可溶性物质而溶解下来。显影时胶膜中的羧基(-COOH)与碱液中的Na+作用生成亲水性的基团(-COONa)。因此,碱水溶液能将未曝光部分溶解除去。
显影操作一般都在
显影机中进行,例如杜邦出品的特别适合于水溶液显影的A型处理箱:首先板子被放在显影室的架子里,显影液通过一系列的喷嘴喷射出来,有开关控制喷射。喷射后就把板子在干净的显影液中浸一下,最后用流水冲洗干净。所有这些都在处理箱内完成。控制好显影液的温度、传送速度、喷淋压力等显影参数,能够得到好的显影效果,一般来说,显影液温度为30±2℃,喷淋压力为20~35 psi,传送速度可以控制显影时间,正确的显影时间通过显像点(没有曝光的干膜被显掉的点)来确定,如果显像点离显影段出口太近,未聚合的抗蚀膜得不到充分清洁显影,抗蚀剂的残余可能留在板面上。如果显像点离显影段的 入口太近,已聚合的干膜由于与显影液过长时间的接触,可能被浸浊而变得发毛,失去光泽,通常显像点控制在显影段总长度的50%~70%之间即可。在显影室外来观看显影点的方法不是非常准确,尤其当干膜颜色和铜箔颜色差别不是很明显时。制作高精度印制板的干膜厚度比较薄,颜色相对较浅,想做出目视判断就更困难了,较好的方法是用水溶性墨水笔在覆铜箔基板上做标记。利用生产板观察显出点是很困难的,通常采用一块大小为18×24 in的基板,这样可以在显影室的横方向全面观察显出点。若用1~2%Na2CO3水溶液显影,室温下在喷淋显影室内经过的时间大约在90 s左右。如用手工显影则要注意刷洗,用多级显影可以减少或防止残胶。能用于水溶液型干膜显影的碱类物质有Na2CO3、NaOH和Na3PO4等,其浓度分别为Na2CO3 1~3%、NaOH 0.3~0.5%和Na3PO4 2%的水溶液。
使用显影机由于溶液不断地喷淋搅动,会出现大量的泡沫,因此必须加人适量的
消泡剂,如
正丁醇、长链的脂肪醇、食品消泡剂、印制板专用消泡剂AF-3等。消泡剂起始的加入量为0.1%左右,随着显影液溶进干膜,泡沫又会增加,可继续分次补加。 显影后要确保板面上无余胶,以保证整体金属铜与电镀金属之间有良好的结合力。
显影液的浓度需严加控制。浓度过低,显影速度缓慢;浓度过高,损伤硬化膜图形,甚至脱落。如果显影时间不足,未聚合的光致抗蚀剂得不到充分的清洁显影,未感光的光致抗蚀剂残胶可能会留在金属表面,造成蚀刻和电镀后的图形失真;如果显影时间过度,已聚合的光致抗蚀剂层由于与显影液接触时间过长,而发毛、失去光泽,在蚀刻和电镀过程中容易产生图形边缘光致抗蚀剂膜起层或脱落。
显影中有时会出现针孔、布纹,其原因一是碱液浓度过高,二是曝光不足。增加曝光时间可以减少或避免布纹露铜现象。干膜感光胶显影后,可能出现余胶,即在非图形部分也覆盖了一层薄薄的有机薄膜。余胶是在显影过程中出现的,产生的原因有下列几个方面:
1.显影时间过短,或者显影溶剂中已溶解的感光胶的量太多,造成显影不足,没有充分除去感光胶。这样形成的余胶较厚,影响后道工序。
2.如果显影液中带入了某些杂质,使感光胶在显影中溶解度变小,显影液中的感光胶有可能在铜箔板上沉淀出来。
3.如果显影过度,或者是曝光不足(而显影是正常的)时,感光胶中液态增塑剂成分有可能流出到没有图形的地方。
4.不同种类感光胶放在一起显影,有可能造成余胶。
略微有些余胶,问题不太大。腐蚀溶液很容易穿透它,电镀前的清洗溶液也可除去它。去除余胶最有效的办法是采用阳极清洗。
显影后板面是否有余胶,肉眼很难看出,可采用氯化铜试验来检查,显影后板面经过清洁,微蚀粗化及稀酸处理后,放入5%重量比的氯化铜溶液内处理30 s,并轻微摇动液体,以驱逐气泡,经过处理后的板子进行目视检查,若显影正常的铜面,氯化铜溶液使之形成一层黑色氧化层(此氧化层可在电镀前处理线中去除干净),若铜面有余胶,则仍会保持光亮铜的颜色。一般每1~2 h抽取1~2块板子做氯化铜试验,以保证显影的质量。
修版
采用干膜感光胶时,修版工作量大大减少。修版包括两个方面,一是填补上图形上的缺陷如针孔、缺口等,二是除去与图形无关的疵点,如胶膜的桥接、斑污、小岛等。
缺陷的来源可以分为几个方面:胶膜本身的凝胶粒子及机械杂质会引起针孔;基板中的外层玻璃布纹粗糙,层压时形成布纹状的凹凸不平的表面,严重的会在贴膜时将部分胶膜挤走而露出铜层或所留胶层太薄而经不起显影的浸泡,尤其在贴膜温度过高时更是如此;铜箔上的毛刺、瘤块,没有冲洗干净的颗粒杂质也是造成针孔的原因。具有高分辨能力的干膜需要有高质量的照相底版,即使是很小的底版针孔也会形成胶膜图像外的小岛。底版上的划痕会形成胶膜图像的桥接。照相底版、聚酯薄膜及晒架玻璃上的灰尘颗粒都会在显影之后解像出来。所以,在净化条件较差的情况下,修版仍然是不可缺少的,只是程度不同而已。
注意,修版浆料需与胶相容,所用浆料的溶剂需对胶膜无明显损害;对铜箔与胶膜都有良好的粘附性,扩散性应小;能耐酸性蚀刻液与酸性镀液及其有关的清洗液;无毒,挥发速度适中。除此而外,还要易于除去,最好能在去膜液中一并除去。
能够用于水溶型干模修版的浆料很多,如
虫胶、
沥青、耐酸油墨、制版红粉、丝印印料等,一般丝网漏印的印料可以作为修版油墨。在刮去不必要的部分时,要特别仔细,因为干膜感光胶厚而脆,刮得不好反而损害了图形。虫胶修版液配方:虫胶100~150 g/L+甲基紫1~2 g/L+无水乙醇适量。修版时应戴细纱手套,以防汗渍污染板面。使用的工具一定要合适,要检查曝光用具,90%的修版工作量都是由于曝光工具的毛病。为了减少修版工作量,要注意下列几点:
1.经常检查曝光用的框架,保证清洁,没有沾污。
2.经常检查照相底片,保证透明处没有沾污,不透明处没有裂纹、针孔。
3.操作过程中要小心,避免沾污感光膜上的聚酯薄膜,显影后要小心不要损伤图形。
4.保持显影设备清洁。
烘固
烘固工序可以不用。当然在显影后再加一道烘固工序也有好处,能增加感光膜的粘合力和耐腐蚀性能。一般是在180℉(82℃)加热10~30 min。温度太高了反而减低了粘合力。如在显影后加一道烘固工序,则修版工序放在烘固工序前,这样在烘固时修版涂料也被烘固。
蚀刻
包括有胶膜保护蚀刻与金属镀层保护蚀刻。前者一般用于非图形电镀工艺及其它的诸如化学铣切、面板腐蚀等,而后者系图形电镀工艺。胶膜保护蚀刻采用FeCl3水溶液、酸性氯化铜水溶液等。金属保护层蚀刻是在去膜之后进行的,多用碱性氯化铜水溶液、CrO3-H2SO4水溶液、H2O2-H2SO4水溶液及(NH4)2S2O8-H2SO4水溶液等。
去膜
胶膜图形在完成它的“保护”使命之后需要除去(阻焊-防护干膜除外)。溶剂型的利用溶剂去膜。水溶型的利用碱水去膜,用温度50~70℃的3~5%NaOH水溶液。去膜方式可用槽式浸泡,也可机器喷淋,槽式浸泡是板子上架后浸泡到去膜液中,约5 min后膜变软脱落,取出后立即用水冲洗,膜就可以去除干净,否则铜表面会被氧化。机械喷淋在去膜机中喷淋去膜1~2 min即可,生产效率高,但应经常检查喷嘴是否堵塞,在膜液中必须添加消泡剂。去膜之后务必彻底清洗,或待机加工后表面涂覆(印制-蚀刻)或待蚀刻热熔(图形电镀)。
影响因素
光源
传统的近紫外光源有
高压汞灯、
金属卤化物灯,深紫外光源有
氘灯、
低压汞灯、
超高压汞灯、Xe-Hg短波长弧光灯等。近来还开发了真空紫外光源的激基体激光。
任何一种干膜都有它自身特有的光谱吸收特征,而任何一种光源也都有它自身的发射光谱。如果某种干膜的光谱吸收主峰能同某种光源发射主峰相重叠或大部分相重叠,则二者匹配良好,曝光质量较佳。
实践证明高压汞灯、
镝灯及光化学灯是比较好的光源。
炭精灯的光谱特性也很适合于干膜的吸收,但因它的光强度不稳定,粉尘污染较大,故而少用。
氙灯、
碘钨灯等均不适应于干膜的曝光。
在干膜应用中还要选择合适的安全光源。干膜的感光速度较大,它的光谱吸收区域为310~440 nm。这个区域的后部已落入可见光的紫色光区。为了减少或防止环境光源对干膜的影响,故要在安全灯下操作。为避开干膜的吸收光谱区域,故安全光区域的波长应≥440 nm。低压汞灯的单色性好,所发射的黄光对人眼敏感、明快,有利于操作。它的主要辐射能量的波长为589 nm。也可采用遮光黄膜来遮挡自然光源和照相光源,凡波长短于400 nm的光绝大部分都被此膜吸收。
曝光时间
曝光时间的长短将会影响图形精度、分辨能力及其它方面的性能。胶膜的光聚反应并非“一引而发”或“一曝即成”的,大体经过如图所示的三个阶段。
胶膜中由于氧或其他有害杂质的阻碍,需要经过一个诱导过程。在该过程内引发剂分解所产生的游离基为氧或杂质所消耗,单体的聚合甚微。但当诱导期一过,则光聚合反应很快进行,胶的粘度迅速增加,接近于突变的程度。粘度的突然增大,在曝光图形的边沿形成一个“坚硬”的壁垒,致使残余的游离基很难因热运动迁移到未曝光部分去,而未曝光部分的光敏单体也无法运动到曝光部分来,所以第二阶段是光敏单体急骤消耗的阶段。在整个曝光过程中它所占的时间比例是很小的。当有效的单体或不饱和的光敏组分大部分消耗完时,则就进入第三阶段,即单体耗完区。此时光聚反应已告完毕,可能发生因光而引起的热。如果曝光时间长了或曝光时温度升高,会引起未曝光区域的热聚合反应,尽管聚合程度远小于光聚合,但毕竟存在,因此会造成显影困难、留下余胶。
通过上面的叙述可以看出如下几点:
1.弱光源引起的诱导期长,于曝光不利,以长的曝光时间来弥补弱光源的效果是不好的。一定要选择功率大、短波含量高的强光源。光强度还会影响胶膜的分辨率。
光源容易老化,首先是紫外线区域波长的丧失,然后再波及可见光区。对于陈旧老化了的光源应予更换,例如高压汞灯的曝光寿命通常为1000小时左右,超过以后很容易出现曝光断断续续的情况,或曝光时间增加。
2.曝光不足固然不行,但曝光过度也是有害的。它会使解像困难,胶膜发脆,留下残胶等弊病。更为严重的是会引起图形失真、产生大的线宽偏差。
过量的曝光会使图形电镀的线条变细(负差),而对印制-蚀刻型的线条变粗(正差)。
曝光时间(也即光能量)还会影响胶膜的分辨率。
曝光时间的确定
A.观察法:这是一种试差的方法。用一系列贴好膜的基板在同样光源条件下进行一系列时间的曝光,逐块观察、记录所得图像的结果。从曝光不足不能成像到曝光过度不能解像的试样中。选取图像完整、失真最小的试曝时间作为所需的曝光时间。这是一种简单易行但比较粗糙的方法。
B.光楔表法:又叫光密度表或光梯度表。光楔表法的原理是在掩膜底版上将全阻光到全透光之间的光密度差变化均匀地分成若干等分,每每相邻梯级之间的光密度差是个常数(比如△D为0.05)。从平行光源发射出来的覆盖在光楔表上的能量可以认为是个常数P,每当增加一个梯级时就存在一个P的衰减系数,减少了透光的强度。当曝光时间一定,所有各阶的胶膜所得到的能量是不同的。若要曝光之后的胶膜能经受住显影而不溶解,则需满足一个起码的能量Qm。当Qm值等于或接近于干膜生产厂所推荐的成像阶数的能量时,则此时的曝光时间为最佳曝光时间。
干膜出厂时都要推荐所需成像的阶数。常用的光楔表有三种:Dupant17级光楔表、Kodak21级光楔表及Stouffer21级光敏指南表。
Dupant17级光楔表第一级的光密度为0.5,以后每级以光密度差△D为0.05递增,到第17级光密度为1.30。Stouffer21级光敏指南表第一级的光密度为0.05,以后每级以光密度差△D为0.05递增,到第21级光密度为3.05。在用光楔表进行曝光时,光密度小的(即较透明的)等级,干膜接受的紫外光能量多,聚合的较完全,而光密度大的(即较透明的)等级,干膜接受的紫外光能量少,不发生聚合或聚合的不完全,在显影时被显掉或只留下一部分。这样选用不同的时间进行曝光便可得到不同的成像级数。
光楔表法是这样估算的:例如某生产厂推荐某干膜的曝光条件为Dupant17级光楔表中的第6级成像,试曝时就利用Dupant17级光楔表在自己的光源条件下曝光某一时间,若曝光之后显影出来的成像图像大于6级,则说明曝光时间长了,反之则短了。逐步试差到6级圆满成像为止,此时的曝光时间即为最佳曝光时间。
C.计算法:这种方法是光楔表的引伸。对于某种干膜只需曝光一次即可算出准确的曝光时间。例如干膜生产厂推荐Dupant17级表的6级成像,曝光显影一次即可用如下公式求出:
式中,tc——所求的曝光时间;tR——试曝时所用的实际时间;Sc——厂商推荐的成像级数;SR——曝光时间为tR的实得成像级数。
例如,试曝光时间tR=4 min,所得的实际级数为9,则,即1分钟25秒;
若tR=1 min,SR为5,则,即1分钟25秒。
有的生产厂还附有曝光时间的倍乘系数K,通过如下公式计算,即得合适的曝光时间:
常用Stouffer21级曝光尺测6-8级,曝光尺的读数是以完全露铜的那格为准,如有半格露铜则读数相应减一半。
D.解像图形精度法:这是一种比较精确的方法。它的基本原理是,先用光楔表找出基本合适的曝光时间,然后再用Stouffer解像图形在已找出了的曝光时间的附近进行一系列曝光、显影,得出解像图形,解像力最高的试样的曝光时间即是最佳曝光时间。
这种方法比单纯使用光楔表更为准确,因为光楔表所决定的级数是靠肉眼观察判断的,图像的实质有可能处于临界状态。而这种解像图形方法可以找出解像精细线条的准确时间。所得的最细线条与间距可以精确测量并与底版进行比较,因此比光楔表法更加准确。
严格来讲,以时间来计量曝光是不准确的,因为光源强度是随电压改变而波动,随灯的老化而下降的。光能量计算公式为E=IT,式中E为曝光总能量,mJ/cm2;I为光的强度,mW/cm2;T为曝光时间,s。
从上式可以看出,曝光总能量E随光强度I和曝光时间T而变化。当曝光时间T一定,光强度改变,曝光总能量也随之改变。所以尽管严格控制了曝光时间,但实际上干膜在每次曝光时所获得的曝光总能量并不一定相同,因而聚合程度也就不同。为使每次曝光能量相同,必须使用光能量积分仪来计量曝光。
温度
曝光中热也是一个较强的影响因素。长时间的曝光会使温度上升而引起热聚合,故要选取红外线含量尽量少的光源,还要采取抽风冷却,减少热对聚合反应的影响。
杂质
胶膜或空气中的氧及其它有害杂质会改变光敏物质的光聚特性。没有氧及其它有害杂质时,光引发和聚合反应迅速进行,但当有氧及其它杂质存在时,它们要同游离基反应,消耗游离基,这就延缓了聚合反应。空气中的氧分子的阻聚作用表现为两个方面。其一,基态的氧分子处于三线态,本质上是双自由基,因此对光引发过程中产生的活性自由基有较强的加成活性(k>109 mol-1s-1),形成对乙烯基单体无加成活性的过氧自由基,此过程速率较快,可与活性自由基对单体的加成反应相竞争,对聚合过程的阻碍作用显著。其二,处于基态的三线态氧可以作为猝灭剂,将激发三线态的光引发剂猝灭,氧分子被激发至活泼的单线态,光引发剂由激发态回到基态,将激发三线态的光引发剂猝灭。幸运的是大多数裂解型(第Ⅰ型)光引发剂的激发三线态寿命较短,在激发态引发剂与分子氧作用前,引发剂就已经分解掉了,光引发剂与氧分子发生双分子猝灭作用的概率相对较低,通常可以忽略不计。因此,在贴膜时如果存在气泡,则就延缓了聚合反应。因此,在贴膜时如果存在气泡,则在气泡区域容易造成曝光不足,图形缺损,以致于不能成像。图形电镀印制板的孔周围有时产生辐射状的“鱼眼”也是这个原因。
阻光物质
指能阻止紫外光透过的透明物质,如聚酯薄膜、普通玻璃及底版载体等。如果干膜的吸收光谱的主峰落在紫外光区域之内,则这种阻光物质的影响极为严重。对吸收光谱区域为310~440 nm的多数干膜讲,阻光物质对曝光也有一定的影响。
阻光物质还会影响胶膜的分辨率。
胶膜性能
对于干膜的感光性并不意味着感光度越高越好。感光速度太快,将会带来安全光的失效,操作不方便。同时为了适应同一曝光体系变化着的参数与变化着的环境,干膜的曝光时间应有一个合适的宽容度。曝光时间的宽容度可以用宽容系数表示:
例如,某一干膜的最小曝光时间为20 s,宽容系数为2.2,则最大曝光时间为44 s。最佳曝光时间应在最小曝光时间与最大曝光时间之间。
深度曝光性对于干膜是重要的。由于带色胶层的自身屏蔽与散射效应,透过胶膜的光强度逐渐衰减。极端的情况是上层曝光合适,下层并无响应。相反可能是下层曝光合适而上层曝光过渡,解像困难。如果胶膜的深度曝光性不好,将会引起所谓“显影侧蚀”现象。轻则影响图形精度,重则引起胶层起翘与脱落。
胶膜的变色性有利于操作与鉴别。但要注意变色剂对工艺性能的影响。
除此之外,胶膜中的凝胶粒子是不具备光敏性能的,它的存在将会产生针孔。
市场分布
感光干膜是PCB制造的原材料,其需求主要取决于PCB行业的发展状况,随着中国PCB行业的发展,中国感光干膜的需求不断增加,市场规模不断扩大。其中,2014年,中国感光干膜行业的市场规模为30.84亿元;2018年,中国感光干膜行业的市场规模为53.46亿元。2020年感光干膜全球出货量约为11.26亿平方米,同比增长3.59%,2016~2020年化增速约4.41%,中低端感光干膜毛利率在30%左右,高端干膜产品毛利率将更高。
储存运输
干膜在储存过程中可能由于溶剂的挥发而变脆,也可能由于环境温度的影响而产生热聚合,或因抗蚀剂产生局部流动而造成厚度不均匀(即所谓冷流),这些都严重影响干膜的使用。因此在良好的环境里储存干膜是十分重要的。技术要求规定,干膜应储存在阴凉而洁净的室内,防止与化学药品和放射性物质一起存放。储存条件为:黄光区,温度低于27℃(5~21℃为最佳),相对湿度50~80%左右。储存期从生产标示日期算起必须在六个月内用完。超过储存期按技术要求试验确认后判定合格的,须严格依照试验条件使用。在储存和运输过程中应避免受潮、受热、受机械损伤和受日光直接照射。干膜放置方式不可直立,否则容易造成流胶。