蚀刻特性及铜箔特性对PCB线路品质的影响

蚀刻特性及铜箔特性对PCB线路品质的影响

RTF铜箔在高频高速PCB加工中展现出独特优势。本文详细探讨了蚀刻液的种类、特性及其对PCB线路品质的影响，特别是RTF铜箔相较于HTE铜箔在高频高速PCB加工中的优势。

铜箔的化学蚀刻是制造PCB线路的重要工艺，直接影响电路板的品质。蚀刻配方有多种，在蚀刻过程中不同的变量会影响生产效率和产品。常见的蚀刻液是酸性氯化铜蚀刻液和碱性氯化铜蚀刻液（也称作 “含氨碱性蚀刻液”），其他蚀刻液暂不进行举例。

常见的酸性蚀刻液和碱性蚀刻液的工作原理及对应的再生反应化学方程式如下：

这两种蚀刻液被广泛使用的原因是再生能力很强，原料成本较低，且维护简单，可通过再生反应，提高蚀刻能力的同时保持恒定的蚀刻速率。

碱性与酸性蚀刻液相比，碱性蚀刻液的蚀刻速度远远高于酸性蚀刻液的蚀刻速率，碱性蚀刻液一般在2.02.5mil/min（50.8-63.5μm/min），而酸性蚀刻液只有1.01.6 mil/min(25.4-40.64μm/min)。因此，碱性蚀刻液要比酸性蚀刻液更受欢迎，但在蚀刻液再生方面，酸性蚀刻液的再生反应更加简单，多数情况只需要将再生药水加入到蚀刻设备中即可，所以更简便。

碱性酸性蚀刻液蚀刻因子（蚀刻因子为蚀刻厚度与侧蚀刻量之比）相比，碱性蚀刻液的蚀刻因子可以达到4∶1（即蚀刻厚度是侧蚀刻量的4倍）。而酸性蚀刻液的蚀刻因子则是标准的3∶1。

实际应用过程中碱性蚀刻液的蚀刻因子更理想，所以在蚀刻较厚铜及精度要求较高的线路，一般采用碱性蚀刻液（虽然碱性蚀刻液的蚀刻因子高，但只有在最佳条件下才能达到4∶1，通常在操作中很难达到最佳条件）。

蚀刻药水控制

尽管碱性蚀刻液的一些属性很利于PCB生产，可碱性蚀刻液维护较难，是因为碱性蚀刻液再生要用到氨气这种极易挥发的气体，且在使用过程中，还要控制蚀刻液的使用条件，其工艺参数范围非常小，不易控制，酸性氯化铜无此类烦恼，因为在金属蚀刻液当中，氯化铜是最常见且最容易使用，蚀刻速度的制程参数窗口较宽，同时，酸性蚀刻可间歇性使用，而碱性蚀刻液不允许间歇使用，因此酸性从操作、维护、使用性来讲更具优势。

抗蚀剂兼容性

在任何化学蚀刻工艺当中，抗蚀剂和蚀刻液的兼容性很重要。如果不匹配，抗蚀剂就会在蚀刻过程中翘起或者从表面脱落，导致无法获得希望的电路特征。

对这酸碱蚀刻液而言，抗蚀剂兼容性的差别非常大。酸性蚀刻液与大多数金属抗蚀剂都不兼容，因此，通常只用于蚀刻PCB内层；而碱性蚀刻液正相反，它与大多数金属抗蚀剂都兼容，但缺点是与很多可剥离的碱性光致抗蚀剂（干膜）不兼容。

鉴于这两种蚀刻液在抗蚀剂兼容性上处于两个极端，大多数PCB制造商会同时采用这两种蚀刻液分别进行内层和外层加工。

酸碱蚀刻液的优缺点

从上表可以看出，成本方面酸性蚀刻液占优。而蚀刻性能方面碱性蚀刻液占优，因而针对不同的产品，考虑到加工精度、产品性能要求、镀液操作与维护以及成本，PCB制造商会采用不同的蚀刻配方。

电解铜箔生长特性

电解铜箔是在阴极辊表面通过电场作用沉积生成，阴极辊的晶粒大小、几何形状、平整度、粗糙度等因素直接影响电解铜箔的阴极辊面的质量。可以说，电解铜箔的光面是阴极辊表面晶体结构的延续。当然，添加剂对后续铜箔的生长也起着重要作用。因此，阴极辊表面形态及添加剂共同决定了电解铜箔阴极辊面的底层晶体结构，后续铜箔生长则主要依靠添加剂调整，例如在晶粒细化剂的作用下晶粒细小的铜箔具有更高的力学强度和导电性能，表面更光滑，耐腐蚀性更好；而晶粒粗大的铜箔则容易发生晶间腐蚀、应力腐蚀等问题，导致铜箔性能下降。可以简单的将铜箔的沉积划分为三个阶段：第一阶段，在阴极辊表面沉积细小的块状细晶；第二阶段为细晶长大，出现部分的柱状结晶；第三阶段，柱状结晶长大。

另外，不同厚度的铜箔因电镀时间不同，虽然有添加剂作用，但表面通常呈现不同的结构，如下图所示：

在同等倍率下可以看出，随着厚度的增加，铜箔非阴极辊面的结构不同，山形尺寸及数目不同，一般规律为，厚度越薄，山形数目越多，尺寸越小，粗糙度越低；厚度越厚，山形数目越少，尺寸越大。

同样因表面山形不同，铜箔厂通常采用不同的电流进行粗化长瘤来提升与基材的结合力，如下图所示：

在同等倍率下可以看出，随着厚度的增加，处理后的铜箔表面铜瘤数目不同，一般规律为：随着厚度的增加，铜瘤数目减少，尺寸增大，密集性减弱。

截面图观察可以更直观的展现不同厚度铜箔的山形及铜瘤数目的差异，如下图：

由截面图可以得出以下结论：

A、随着铜箔厚度的增加，粗糙度增大，铜箔山形逐渐变大，因而山峰数目减少。

B、随着铜箔厚度的增加，粗糙度增大，处理后的铜瘤数目减少，尺寸变大，密集程度降低。

既然铜箔有以上特性，而PCB常用的蚀刻为湿法蚀刻（碱性/酸性），那么结合蚀刻特性及铜箔特性、铜箔种类，我们讨论一下其加工性。

下图为PCB采用同一蚀刻液、同一蚀刻参数、同一厚度的铜箔，蚀刻HTE铜箔与RTF铜箔的结果比较。

可以看出，蚀刻后RTF铜箔与HTE铜箔相比具有更好的蚀刻特性且品质更佳（线路更接近方形而非梯形）。

分析原因，主要是由于铜箔结构及蚀刻特性导致的。采用RTF蚀刻线路首先蚀刻的是大的柱状结构，而采用HTE铜箔蚀刻线路首先蚀刻的是细小的块状晶。一般而言，蚀刻可以理解为腐蚀，而蚀刻（腐蚀）一般会在晶界上进行。HTE铜箔在蚀刻过程中，蚀刻首先在细小的块状晶，因晶界较多故更容易被蚀刻，且蚀刻自上而下，细小的晶界会有更多的新鲜蚀刻液，最终导致HTE铜箔线路蚀刻后梯形的出现。RTF则与之相反，蚀刻后线路更接近方形。另外，在蚀刻速率上，RTF蚀刻沿晶界进行，故RTF的蚀刻速率更快，蚀刻时间更短。

综上，RTF铜箔在高频高速PCB加工中有以下优势：

改善PCB的良品率

减少短路发生机率（由于其表面粗度较低，蚀刻时残铜发生机率小）。

减少断路发生机率（由于干膜可以黏着更牢固，断路风险可以降低）。

缩减制程

速度提升，快速蚀刻（RTF铜箔较HTE铜箔，在蚀刻特性上更可靠，蚀刻时间更短）。

线路可靠性

线路及层之间具有更好的绝缘功能（RTF铜箔较HTE铜箔粗度更低）。具有更高的蚀刻因子（RTF铜箔较HTE铜箔蚀刻特性更好）。

小结

受蚀刻特性及铜箔结构的影响，RTF铜箔在PCB蚀刻加工过程中相较于HTE铜箔,可以有效改善PCB线间、层间绝缘功能的可靠性，对CAF（耐离子迁移）也有一定的帮助，加工过程中控制阻抗也更容易。因而，低粗度的RTF铜箔在高频高速材料上将会得到更广泛应用。