铜箔表面清洁处理技术在印制板生产中的应用

一、前言

近年来，电子工业飞速发展，越来越能满足高密度封装及小型化发展的需求。与之相应，印制电路工业界也必须面对日益迫近的更为精细线路，及线间距高密度印制电路板的制造任务。

为了避免生产率的剧烈下滑，印制电路板制造商不得不再次对其整个生产工艺流程，从每个工步入手，对细节处进行逐次检查。

众所周知，对于印制电路板制造来说，很关键的一步是：铜箔表面抗蚀材料（干膜、液态抗蚀剂、阻焊膜）的运用。

对于印制电路板制造之抗蚀材料运用来说，未经任何处理的铜箔表面，是不能提供其所需的足够的粘接点的。需要通过表面清洁及预处理，除去铜箔表面所有的污染物，并创建出一个适合粘接的粗糙表面。

为此，对于更薄内层单片覆铜箔材料的使用、设计所需更精细线路及线间距制造的要求，以及随之而来的对高品质铜箔表面处理需求，极大的促进了这一领域的传统研究及新手段的探索。

传统覆铜箔层压板材料需要对其外貌（表面）进行改变，通常是除去所有污染物和外来杂质元素，以实现清洁表面的目的。

二、铜箔表面

传统的铜箔大多采用电解的方式，在一个不断旋转的不锈钢滚筒阴极上获取，也即电解铜箔。

随后，通常会经过进一步的化学处理，俗称防氧化处理。类似于采用铬酸盐来抵抗腐蚀，涂锌于铜箔面，用来保护铜箔经受住高温层压条件的严峻考验。

此外，“防氧化”处理，还能保证覆铜箔层压板材料有较长的货架寿命。

下图1展示的是扫描电子显微镜拍摄的铜箔表面结构形态示意。

对于抗蚀材料（干膜、阻焊膜或其他）来说，粗糙的表面可以提供一个更好的粘接效果。这是因为，一个优良的表面，应当展示出一致性的锐利峰和谷的结构形态，在此结构形态的表面，方能实现涂覆层的机械性锚接。

而传统覆铜箔层压板材料的原始铜表面，不具备上述提及的一致性形态结构，因此，针对可利用的任何涂层，提供不出一个足够锚接力的表面形态。

最后，无数经验证明：传统覆铜箔层压板材料的原始铜表面，对于抗蚀材料获得优异粘接来说未经任何处理，显然是不适合的。

至于有效粘接的必备条件，应该是拥有一个高低错落的形态结构，且必须具有较高的洁净程度。

三、铜表面的清洁和预处理方法

3.1研磨刷清洁处理

3.1.1概述

作为最早和很常用的清洁方法，研磨刷清洁处理已被使用许多年了。该方法是采用带有研磨颗粒的无纺尼龙纤维组成的紧密刷辊，通过专门设计制造的刷板设备，对需处理覆铜箔层压板铜表面进行处理。

下面给出了两张研磨刷辊示意图。其中，图2展示的是浸渍研磨颗粒的硬毛刷，图3展示的则是Scotch抛光刷。

该技术被广泛用以对覆铜箔层压板铜表面进行清洁处理。

至于抛刷的目标，是借助研磨颗粒在材料表面的切线运动，通过机械摩擦和粗化铜箔表面，在同一时间内，除去任何可能附着的污染物。

如图4所示，并不是擦痕密度越高，抗蚀材料的粘接性能越好。

因为，当贴干膜操作时，铜箔表面的擦痕可能会造成桥状空隙，而且，在历经干膜曝光和显影处理后，此类沟道空隙依然存在。

对于多层印制板的内层图形制作来说，在图形转移后，将进行酸性蚀刻操作。由于上述桥状空隙的存在，蚀刻溶液可能会蔓延渗入其中，从而造成线宽的不规则改变，严重时甚至会造成线断缺陷。此情况的结果，将会使线宽控制无规律，精细线路开路。

相似的问题还会出现在多层印制板的外层图形电镀制作中：在此过程中，电镀溶液会潜入干膜下部，造成渗镀问题的出现，最终会导致线宽增宽，线间距无规则变化，严重时会导致精细间隙桥连短路。

关于表面元素组成，我们能断定含研磨颗粒的辊刷具有侵略性的作用，一定能除去大部分的铜箔表面污染物和外来元素。

然而，现今的组成印制线路的导体部分和介质部分，大部分是相互平行布设的。而且，其线宽和线间距大小，几乎与前述提及的单向性擦痕数量级相当。

因此，此种高密度印制电路制造需求，迅速导致研磨刷清洁方法的荒废，大大降低了其运用普遍性。

此外，硬研磨刷不能被用来对内层薄单片进行清洁处理，否则会使薄单片遭受不可接受的延长变形和可能导致板材损坏。

图5展示的是，经过研磨刷处理和显影蚀刻或电镀制程的粗糙形态图示意。

使用研磨刷处理的另外一个不足是，该表面清洁处理法，有可能破坏金属化孔的孔口部分。此问题的出现是由于研磨刷本身的结构，加之金属化孔线路上部所经受的强机械作用所致。

另外，由图6可见，该不足问题的出现，会造成金属化孔的拐角裂缝，由此导致印制板成品的质量问题和可靠性降低。

正如前面所述，研磨刷清洁处理所造成的铜箔表面擦划是单向性的，因此，对于印制线路图形制造、精细线路精确度的实现，将大大依赖于铜箔表面擦划的方向。

3.1.2特点

（1）外来颗粒可能被包埋于铜箔之下（“犁”作用）；

(2)存在铜箔表面和多层板内层金属化孔孔壁间的连接破裂危险，随着电镀铜层厚度减薄的趋势，此种连接破裂危险将越发严峻；

(3)磨刷压力控制很关键，而且受操作者控制的敏感性很大；

(4）磨刷的磨损往往是非一致性的发生，从而导致磨刷压力的不均匀性运用；

(5)对于薄层压板材料的磨刷处理，不造成材料的损坏是非常关键且值得广为关注的问题；

(6)磨刷所造成的拐角折断，可能会导致短路情况的发生。

3.2化学清洁处理

3.2.1概述

当关注到薄型材料表面擦划、材料延伸和损坏时，化学清洁处理总是研磨刷清洁处理的不二替代方法。

首先，铜表面先经除油处理，以除去有机沾污，例如油脂和手指印渍，或类似于防氧化处理层的铬酸盐。随后，将运用微蚀刻处理，以除去铜层表面的氧化物，并同时提供一个微粗化的铜表面。

图7展示的是：优良的微蚀刻处理铜表面和改善铜表面结构形态，提供一个有效粘接的足够粗糙形态。

该清洁处理制程，不包括针对铜层表面的机械作用，因此，考虑到完全除去铜表面沾污物，避免可能产生的处理不一致性，是很关键的。

由于覆铜箔层压板生产厂商所用的铜层表面抗氧化涂层厚度各不相同，其耐受微蚀刻处理的能力也存在差异，这将会导致清洁处理后的表面形态结构的不一致性。

相同的概念也将被运用到所有外来元素中，例如树脂斑点：任何污染物，除非可以完全溶解于所用化学溶剂中，是不能被除去的，它将最终遗留在铜层表面，并阻止后续制程对其下部铜层的进攻。

3.2.2不足

（1）相比之较高的处理成本，增大水的消耗，且存在污水处理问题，制程每步控制一致性困难；

(2)没有大多数机械清洁处理方法运用中，对于铜层表面刷磨的切线作用。任何污染物，除非可以完全溶解于所用化学溶剂中，是不能被除去的，将最终遗留在铜层表面，并阻止后续制程对其下部铜层的进攻；

(3)处理所获得的表面均匀一致性和连贯性，是有问题的；

(4)除油制程所用的每种化学产品，仅能有选择性地进攻一定范围的污染物。这将导致选用价格昂贵和复杂组成的上述除油化学产品，或采取较长的处理生产线，其中包括许多除油和淋洗段；

(5)每种化学物质，必须仔细且经常进行分析，并根据分析结果进行补充调整，从而保证处理结果的一致性；

(6)处理所用的有机酸、加速剂、表面活性剂（相当于润湿剂）和稳定剂，会带来较多的问题，并增加污水的处理成本。

如果针对超柔软性材料的表面处理，当机械清洁方法不能加工处理之情况下，可选择应用化学清洁处理方法。

不过，机械清洁处理方法是较好的选择，因为它们较易被控制，且可采取较为固定的方式反复进行加工。

3.2.3优点

如果不满意研磨颗粒的磨痕擦划，在进行精细线路制造技术中，其他方法会污染所运用的较贵的液态光致抗蚀材料。

随着化学清洁处理法变得越来越普遍，薄内层单片的运用日渐增加，因为该处理方法针对超精致铜箔处理时，仅会造成材料的有限度伸长。

3.3火山灰喷射清洁处理

3.3.1概述

在试图消除或降低采用前述所提及方法所带来的固有机械问题时，一些设备制造商开发出了一个基于火山灰浆喷射需处理材料表面的清洁处理方法。

由图8展示可看出，火山灰喷射前处理，所得到的铜箔表面结构，太光滑和缺乏锐峰的处理效果。

当与用其他方法获得的粗糙结构表面相比较时，尽管所获得的是一个太光滑的表面，且缺乏锐峰，但铜箔表面被一致性砂磨处理过了。另外，针对抗蚀材料的一个较弱的锚抓表面形态结构，是期望能够获得的。

至于提及去除表面的外来元素，我们应当注意到，当火山灰浆被喷射到板的表面时，火山灰粉末相对较轻，因此提供的是一个弱的机械作用。此外，没有机械研磨作用于板面的切线处理效果。

当材料表面仅通过简单的锤击处理时，那些较难被置换掉的污染物，可能将不能完全被除去。

另外，火山灰泥浆的检测是很关键的。火山灰颗粒随着时间的过去，具有不断沉降的趋向。典型的火山灰泥浆的浓度和寿命，必须被严格控制，以确保其清洁处理作用，满足于可接受水平之上。

注意：通常火山灰喷射表面处理需结合化学清洁步骤来实施。

3.3.2优点

（1）该技术可排除所有磨刷的使用，以及由此带来的机械问题；

(2）由于不使用磨刷，制程允许在不造成损坏的情况下，完成对薄型材料的表面清洁处理。

3.3.3缺点

（1）对铜表面没有机械磨损的切线作用。那些污染物，较难被置换掉，当仅采用该法简单地“锤击”处理时，不能被完全去除；

(2)锐峰的缺乏，以及较平滑表面效果（比较采用尼龙刷结合火山灰泥浆处理所得表面处理效果），将会导致稍低的抗蚀材料粘结力；

(3)处理板表面上的火山灰泥浆，将随着板子运行通过整个设备，致使整个制程效率降低和缓慢；

(4)火山灰泥浆的检测是很关键的，在处理一段时间后，火山灰颖粒会变得钝化。一般来说，必须对火山灰浆浓度和寿命加以严格控制，以保证其清洁处理效果，达到可接受水平之上；

(5)与一种带有磨刷配置的坚硬结构的火山灰刷板设备相比较，该技术运用所需设备，采用塑料制造，肯定较便宜和简单。然而，鉴于火山灰泥浆循环使用和喷射的相对高压力，它存在一个严重的磨损隐患，导致设备报废；

(6)该制程仅相对成功应用于较大表面铜的清洁处理，例如，用于多层印制板的内层板图形转移前处理。

3.4氧化铝颗粒喷射清洁处理

3.4.1概述

为了克服火山灰喷射处理效率低和不一致性机械作用问题，几经努力，研制出了由氧化铝代替的喷射清洁处理技术。由于氧化铝颖粒较重和较坚硬，所以其浆状物的喷射，对板面能保证较强的冲击效果。

从图9可看出，经处理后的铜表面呈现出低锐峰，因此改进了对其表面的有效粘合效果。

氧化铝浆喷射的锤击作用，改变了板材表面铜的结构，因而有效地改进了后续涂层的粘结性能。

所有种类的外来元素（氧化物，铬酸锌有机物）依然存在，几乎与原始未处理铜表面具有相同的百分比。这是因为，没有机械磨损切线作用于表面的除去外来元素能力，从而揭露出其下所包埋的原始铜表面。

扫描电子显微镜图片清晰地证实了氧化铝喷射处理的效果，尽管其提供了一个针对抗蚀材料的可接受的机械处理锚接效果，但未能除去污染物。因此，无论该制程前或后，一个化学清洗工步是需要的。

此外，还应该关注的是，如果在喷射清洁处理操作中，与采用尼龙刷和研磨剂悬浮液刷磨效果相比较，使用太高压力，被处理材料将被证实有一定程度的伸长。

不使用刷辊，虽然一定程度上会影响处理板的质量，但却能提供某些程度的优势：不需要根据待处理板的厚度不同，改变和调节刷辊，于任何时间通过氧化铝喷射清洁处理。当然，喷嘴的更换还是需要的。

针对一个收缩的市场需求，该市场要求清洁处理设备制造厂家，更多关注操作成本减少、维修保养时间缩短、全自动、操作者技能依赖性降低等诸多方面因素。氧化铝喷射清洁处理会在工业化生产中，拥有一席之地。

此外，采用氧化铝喷射清洁处理的一个重要应用，是化学浸金前铜表面的清洁处理。

3.5利用火山灰和尼龙刷的磨刷清洁处理

3.5.1概述

火山灰，历史性地被用于清洁铜箔表面，再次开始流行于70年代初。

由图10可看到，铜箔具有均匀的、一致性、可砂处理的、深度浸蚀表面，且采用火山灰颗粒的精度微作用，可实现一个粗化的富峰表面。而且，该表面形态对所有涂层获得良好粘结，是理想的载体。

无特定方向：表面是一致性的，外形轮廓的测量不依赖于其测量方向。

我们甚至不能谈及“划痕密度”，因为根本无任何划痕存在，因此，没有干膜桥和沟存在于其下部。

锐利火山灰颗粒和尼龙磨刷的共同作用，对于表面是沿着其切线方向的：所有沾污物，不考虑其种类，被机械性除去，从而露出其下新鲜的光泽铜面。

这些相片与图1原始铜表面相比较，清晰显示出其表面外来元素剧烈的减少，如氧化物和有机物，所有铬酸盐完全消失，锌也减少到一个几乎难以寻找的数量。

在干膜应用前用带有火山灰的磨刷处理，是当今流行的在线表面处理方法。

采用相同的方法，仅通过改变选用氧化铝颗粒，对于前处理来说，是更佳的方法。其他方法对于涂层运用来说，不能提供足够的锚接点，以经受住高温下的多重焊接循环。

对于其他处理方法较窄的工艺控制窗口，例如喷射磨刷或化学清洁处理，针对可能出现的不同条件，完全不能保证其相同的一致性粘结。

3.6利用氧化铝颗粒和尼龙刷的磨刷清洁处理

3.6.1概述

采用火山灰泥浆溶液和尼龙刷进行的磨刷处理方法，已被进一步改善为选用磨刷性能更佳的氧化铝颗粒—AL2O3。

图11给各位展示的是，在结合了氧化铝颗粒泥浆和尼龙刷后，对铜表面进行有效处理后的结构形态。

铜箔表面是一致性处理的，且显示出大量的锐利峰和谷，此形态对于所有涂层获得好的锚接来说，是必须的。这种铜箔表面形态非常相似于采用火山灰磨刷所能获得的情况：没有特定方向、没有划痕等特征。（参见图10)

通过比较上图与原生态未处理的铜箔（图1)，我们注意到沾污物仅通过一个渠道被消除了：铬酸盐完全消失了，锌甚至减少到一个几乎探测不到的数量。

利用氧化剂颗粒的磨刷处理，能提供与火山灰磨刷一致的表面处理质量，但氧化铝颗粒的运用，开始成为印制板工业界非常普遍的方法，则归功于其所具有的额外优点，这将在随后进行讨论。

四、火山灰与氧化铝颗粒比较

火山灰是来源于火山口火山岩的天然硅酸盐混合物，它是借助于陆地上一些矿的挖掘而得来的，然后，经过碾碎、过筛和过滤，筛分出各种不同等级的火山灰。

氧化铝则是一种人工合成物，因此其具有非常一致性的化学和物理特性。

4.1化学组成（典型百分率）

上述提及的火山灰和氧化铝的化学组成，请参见下表1。

表1火山灰和氧化铝的化学组成示意

以实际应用为目的，上述两种产品当溶解于水、酸和碱中后，均可被认为是具有化学惰性特点。不过，火山灰的悬浮水溶液，由于其含有一些氢氧化物，故略显碱性。

4.2基本特性

火山灰和氧化铝颖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颗粒，从可能的最小颗粒，到几乎不可控制的最大尺寸颗粒。

其中，最小颗粒可能会腾起飞落工作场域，因而会危害到室内洁净度。另一方面，不可控制的最大颗粒，可能会粘在印制线路间，或进入最小的孔内。

火山灰具有很多孔之海绵状结构，因此很轻：其比重小于1（火山灰石能沿火山岛屿海岸漂浮于水面）。

火山灰是一种易碎材料，其颗粒趋于分解为较小颗粒，但仍呈现其特质切边形状。不论何种情况下，需要每周清洗火山灰浆罐，同时，补充进新火山灰，使之形成新鲜火山灰浆溶液。

4.2.2氧化铝

氧化铝是一种人工生产出来的研磨料，因此，可获得较火山灰更窄窗口控制的颗粒大小分布。

根据生产板的特性（线宽和线间距、孔径尺寸）和所需要获得的表面处理效果（是用于干膜制板之铜表面前处理，还是用于阻焊膜制造前处理，等等），使用者可以选择合适颗粒尺寸的氧化铝颗粒磨料。

氧化铝的比重接近于4，至少5倍于火山灰，因此，很少发现有工作区域的回收问题需要解决。

高的比重，允许连续使用，且能被从水中有效分离，因此，氧化铝是可以完全回收的，并可保存于泥浆罐中，从而最终减少了研磨粉的损失。

首先，按要求注入此种研磨粉，其后，在使用中偶而添加，作为板子带出所造成的损失补偿。水连续流经泥浆罐，并保持其洁净，一旦板面沾污物，如氧化物和金属铜脱离系统，将被水所带走。

氧化铝不易裂解，比火山灰坚硬得多（氧化铝达9Mohs，而火山灰仅为5.5)，所以其使用寿命较长。

图12和13展示的是：经过两个月的使用后，氧化铝研磨料仍未碎解，未产生不希望见到的小尺寸颗粒，而且其相当锋利的边缘仍清晰可见。

前述提及的高比重优势，以及氧化铝磨料被水连续清洗过程中，对板面处理的长时间有效性，被氧化铝颗粒未显示任何可见的边缘退化所证实。

针对大规模制造中，火山灰使用大量流失所造成的可观制造成本，氧化铝的使用，显然具有一个较大的优势。

五、结论

目前，针对传统覆铜箔层压板材料，在线抗蚀刻材料应用来说，水平传输表面清洁处理，仍然是非常普遍选用的技术。

精细印制线路及线间距需求的日渐增大，势必很快导致传统研磨刷清洁技术采用的被废弃。

化学清洁处理，与其他几种处理方法相比较，有现今发展之普遍态势，应归功于所选用化学药物的良好表现，以及对薄形板材伸长变形及损坏的减少。

火山灰喷射清洁处理，该法的起始运用，也是为了消除传统研磨刷清洁技术运用可能带来的板材损坏问题，但现在发现其有较大的使用限制，这些均源于该处理方法的弱作用，以及需要添置化学清洗工步。

氧化铝颗粒喷射清洁处理，该法能保证对所需处理铜表面有较强的侵蚀能力。由于无刷辊设置，因此，仅有较小的操作人员干预依赖，而且，还可以从中获得采用该法所带来的其他优势。最初选用该法，是因为大规模制造需求，在经过权衡该法选用优势和铜表面较佳处理性能的前提下所决定的。无论如何，浸金前印制板的铜表面处理选用方法是其一个非常重要的应用。

利用火山灰尤其氧化铝和尼龙刷的磨刷清洁处理，仍然是运用非常普遍的表面处理方法。宽广的工艺控制窗口，在所有环境条件下，能确保持续处理质量，以及处理设备低维修设计实用性，是该处理方法能长时期获得成功的主要原因。

选用氧化铝的磨刷清洁处理，是一种最佳组合，可以获得与采用火山灰磨刷清洁处理同等的表面处理质量。而且，该法的选用，还增添了所用磨料的超佳性能优势：更为一致的颗粒尺寸，长寿命，较洁净的工作区域以及污水处理问题的减少。

对于上述两种磨刷方法，无论选用火山灰或氧化铝颗粒，处理中磨料颗粒作用和尼龙刷对铜表面的切线作用的共同结合是任何严峻条件下，针对所有抗蚀材料于铜表面获得均匀一致超清洁效果的保证。