PCB板DES制程中的短路缺陷分析与改善

顾亚东

【摘 要】DES（显影蚀刻去膜）是PCB生产过程当中非常重要的制程。生产中，质检部门经常检测到PCB板存在DES制程缺陷造成的线路短路问题，直接关系到生产成本的增加，也关系到成品合格率。蚀刻后短路的问题，可能造成产线的品质恶化、进度延误，甚至影响出货。本文将分析讨论DES制程中短路缺陷的原因，找出不同的因素来进行过程改善，并展示改善后的结果，包括采取长期措施进行预防。期望在现有的各种生产条件中寻找出最合适的制程控制方法，对DES的短路缺陷进行长期稳定的控制。

【关键词】PCB板;DES制程;短路缺陷;缺陷分析;工艺改进

中图分类号： TG356.55文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）16-0053-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.024

0 引言

PCB生产的DES制程中会有很多缺陷产生，常见的有如下几点：

DES蚀刻后造成的PCB板面划伤，蚀刻后的线路被外界因素强制造成损伤。该缺陷会使PCB 线路开路或者扭曲，导致信号中断。所以在日常设备维护的时候，对滚轮的状况、收放板机的机器要定期检查调整。

DES制程后PCB板还会有短路问题，同样会造成PCB板报废。一般是由DES显影段的干膜残渣，蚀刻段的滚轮污染，药水浓度的变化，参数的不稳定等因素导致的。

1 DES工艺的介绍

DES工艺的目的是将前工序所做出的有图形的线路板上未受保护的非导体部分铜蚀刻去，形成线路。DES工艺中，D为显影（Develop），E为蚀刻（Etching），S为去膜（Strip）。

1.1 DES工艺中的显影

显影的目的是将未发生聚合反应的区域用显影药水将其冲洗掉，曝光已感光部分则因已发生聚合反应而洗不掉，仍留在铜面上成为蚀刻阻剂膜。在显影中只有水溶性的干膜才可以进行显影。显影槽中采用软化水和碳酸钾配制槽液。

整个显影段由显影槽、溢流水洗段、烘干段组成。显影过程中，未曝光的干膜将会被完全溶解在药液中。聚合的干膜将留在板面上在蚀刻过程中对相应的铜面起保护作用。在水洗槽中显影液会被彻底冲洗干净。水洗中加入硫酸镁可以让水洗更有效率。干燥后，板面上不应残留任何的干膜碎片和其他杂质，否则会有短路风险。

显影液添加的过程是由导电度控制，当电导率降至设定的最低点时，药水添加泵将自动开始工作，电导率将随之而上升，直到设定的最大值后，碳酸钠的添加将停止。显影段是产生DES短路的重要部分。

1.2 DES工艺中的蚀刻

蚀刻的目的是以蚀刻液将铜表面去除，留有抗蚀干膜的线路。蚀刻主要三点关键：线路线细，线路间距，线路短路。所以生产中重点把控蚀刻不尽和蚀刻过度。蚀刻过程中，Cu2+有氧化性，将板面铜氧化成Cu+。

反应过程：Cu+CuCl2->2CuCl

生成的CuCl不溶于水，在过量氯离子存在的情况下，产生可溶性络离子：

反应过程：2CuCl+4Cl- -->2[CuCl3]2-

随着反应的进行，Cu+越来越多，蚀刻铜能力下降，需要对蚀刻液再生，使Cu+变成Cu2+。目前使用的是双氧水再生（反应速率快，易控制）。

反应过程 ： 2CuCl+2HCl+H2O2-->2CuCl2+2H2O

目前使用的自动控制添加系统通过控制蚀刻速度、双氧水和盐酸的添加比例、比重和液位、温度、蚀刻喷洒压力等项目，达到自动连续生产的效果。生产中，板面上裸露的铜面必须完全蚀刻干净，否则会有线细或者间距的风险。

1.3 DES工艺中的去膜

去膜的目的是将线路上抗蚀干膜材料去掉，露出铜线路。生产中需要注意去膜不净，否则在后续工艺中会有干膜渣残留，导致后段压合工艺有氣泡产生。蚀刻后，部分干膜仍然覆盖在线条和焊盘表面，这些经过了紫外光照射而聚合过的干膜，必须在PH值大于12的溶液中融解，所以采用碱性去膜液。

2 常见短路原因

2.1 镀铜造成铜颗粒短路

铜颗粒残留造成蚀刻后线路上会有高低差，铜分层中的残留导致蚀刻药水无法完全将颗粒咬干净。所以类似在DES制程之前颗粒操作的短路，需在镀铜制程中对铜缸的杂质进行清理，比如加大过滤芯的更换频率，用滚轮进行清洁等。

2.2 曝光造成的干膜过度聚合

在曝光时，曝光设备发生异常，造成PCB板表面产生大面积短路。一般情况下，曝光如果有类似以下几种情况会造成大面积短路。

1）曝光设备能量异常，导致干膜聚合过度，显影后明显表现为线路外干膜未显影干净;

2）曝光台面真空不足，导致PCB板曝光时有板翘，镭射无法按照设定程序均匀曝光;

3）曝光聚焦异常，该表现为PCB板曝光后表面有固定区域的能量过高，干膜过度聚合。

改善方法：针对这些异常会造成大面积短路风险，DES工艺中都会取样板进行提前观察，检测是否有类似问题，从而决定整个批次是否需要退膜返工。

2.3 DES工艺中造成的短路

1）DES显影前的生产板板面是附着的干膜，而干膜表面为保护干膜的迈拉膜。显影前生产板需要经过剥膜机，要将保护的迈拉膜去除。但是在迈拉膜去除的过程中，如果干膜有损伤，也会造成PCB板线路上有条形短路。

2）DES显影过程中，显影段会有药水或者异物残留，致使点状显影不尽。该显影不尽直接导致蚀刻药水无法渗透进去，造成微型短路。显影段的压力异常、药水导电度异常、温度异常、速度发生变化都会导致显影段槽体内溶膜量增加，影响显影效果，使显影点后移，形成微短。另外在显影水洗段使用的是去离子水，如果水质受到污染，水洗压力不够，同样会污染滚轮，造成板面污染。DES制程生产及保养过程中，显影段一直是重点关注的区域。比如生产时，显影段压力、温度、显影药水的导电度都需要控制在设定范围之内，绝对不可以有任何波动造成的报警。设备保养时要进行酸洗，将槽子酸碱中和，清洁干膜渣。因为生产时显影药水有较高的溶膜量，饱和时干膜渣容易附着在槽体和滚轮上，从而污染PCB板面。

3）DES蚀刻过程中同样可能产生短路。由于蚀刻中药水是再生循环生产，会存在各种板面上脱落的胶装异物，显影过程中带进的干膜残留会对蚀刻段滚轮造成污染，而且这些污染物会片状的附着在板面，抑制药水对铜面的攻击，产生短路。同样，蚀刻速度、药水浓度、蚀刻温度、药水喷淋压力、蚀刻均匀性也对蚀刻过程产生很大影响，如果其中一些参数发生波动，都会无法对铜面进行完整的咬蚀。

3 缺陷改善措施

对以上DES发生的短路进行分析并且改善时，首先明确改善的方向。发现短路问题，基本的解决反馈过程可以按照下面泳道图所示进行。

A1：质检部门发现PCB板短路问题。

A2：在线生产人员检查设备状况。

A3：质量工程师统计分析短路的风险状况。

A4：生产工程师调整在线问题，采取短期和长期改善措施。

A5：调整之后的第一个LOT继续观察。

3.1 镀铜造成的短路

这些缺陷往往在质检部门通过检测机很难明确分辨是镀铜还是DES微短造成的，需要镀铜和DES工程师都具备非常专业的PCB缺陷认知能力。在确认是镀铜造成的短路后，要和镀铜一起进行根本原因分析。比如是电镀铜时电镀层厚薄不均匀，导致蚀刻不干净。

改善方法：镀铜需要同时根据孔面积的大小，调整好单位面积的电流密度，电镀时间尽量保持一致，保证满负荷生产，同时增加阴、阳极挡板，制定“电镀边条”的使用制度以减少电位差。电镀铜的异物导致的短路，需要对整个过滤系统进行检查，水洗的质量控制，在线滚轮的清洁都要放在控制计划之内。对在线过滤芯的密度进行改善，可以从10um提升到5um，进行异物控制。

3.2 曝光造成的大面积短路

1）目前对曝光机每周都会进行解析度的测试，对横线、竖线、斜线都要采取PMC的监控方法，确认线路是否每周变化，来确定曝光的能量，聚焦能力等是否发生改变。

2）曝光台面真空问题，材料上对曝光台面垫板定期更换，参数上真空值设定相对比较小的范围，能在发生问题时提前真空报警，预防板子曝光不均匀。

3）另外曝光时干膜表面有劃伤现象的时候，也会造成短路。膜面上有划伤现象，划痕积聚有灰尘形成黑色或不透明的“小线条”，在线路图形曝光时因黑色或不透明的“小线条”遮光，使得显影后在线路之间形成露铜点而造成短路，且板件上的铜箔越薄越容易短路，线间距越小越容易短路。一经发现迈拉膜有划伤现象时，必须马上进行更换或用无水酒精清洁，保证迈拉膜的透明度，严格控制不透明的划痕存在。

3.3 DES剥膜机的改善方法

DES制程前剥膜机造成干膜面划伤时，干膜结构因外力强压，造成结构变化，在显影时该区域干膜无法被显影开，给蚀刻药水造成抗蚀效果，形成线性短路。所以需要定期清洁剥膜机的压膜轮，剑型板，加热丝等部件，将这些部件加入设备维护的项目中，制定相关备件的使用寿命及更换标准。剥膜机保养时，在线员工需要按照保养要求，将压膜轮，剑型板，加热丝等进行拆除清洁。

3.4 DES显影及蚀刻产生的短路改善

由于显影和蚀刻对短路的影响具有共通性，放一起进行分析改善。按照人机料法环分析方法找出所有因素并找出解决的方案：

分析中先取出几个影响因素：

1）DES显影状况。

2）DES蚀刻段状况。

3）质检部门判断方法。

4）来料板子的状况（比如铜颗粒多，曝光时异常发生，前面有分析到）。

5）在线生产员工的操作方法。

3.4.1 其中，对现场生产员工和质检部门员工的表现进行MSA分析，通过分析不同员工同一时间生产的表现，同一员工在不同时间，同样的生产条件下的表现，进行分析。结果显示生产员工操作表现是可以接受的。质检部门的判断正确率基本稳定，但需要进一步的培训。

3.4.2 对DES制程能力的稳定性进行检查（包括蚀刻均匀性，温度，压力，速度，药水浓度的综合效果），取同样类型的PCB板批次，在来料都是同一生产条件的前提下，连续生产了30个批次并监控DES制程的能力。从整个批次表现来看，DES本身的制程能力不是很稳定。

在监控的过程中发现了DES制程有3个因素有所影响：

X1：显影段的水洗压力发生了变化    -滤芯的影响。

X2：显影段的滚轮开始发生污染  -显影点是否合理。

X3：生产的板子有轻微间距，对判断微短产生误导-蚀刻速度是否合理。

将DES设备中的后台设备几个因子对应的参数进行，得到DES制程因子的影响分布，得出DES滤芯是产生短路的重要部分，其次显影点和蚀刻速度的组合也是决定短路表现的因子。所以做一个简单的DOE测试（采用同一批PCB型号的板子）。

通过DOE测试及结果得出最佳因子组合：高效滤芯，显影点40%，蚀刻速度4.7。后面通过15个批次该型号的生产板进行重复验证，得到所需要的短路良率，处在合理的置信区间之内。

4 总结

从以上分析结果来看，DES短路的主要原因有：

1）DES显影状况。

2）DES蚀刻段状况。

3）质检部门判断方法。

4）来料板的状况。

5）在线生产员工的操作方法。

结论：

1）通过以上分析，关键是和镀铜还有曝光制程一起来控制PCB板的来料问题造成的短路。

2）对于DES制程本身产生的短路，需要重点关注设备使用滤芯的状况，每周定期检查显影点是否偏移，对蚀刻的速度进行定期校准，可以将短路控制在可接受范围内。当然像其他重要因子比如药水浓度、温度、导电度、喷淋压力等同样需要时刻控制在设定范围内，防止发生波动导致大批量PCB短路问题。

短路作为PCB板的常见缺陷，广泛存在于行业内的不同企业产线上，但是不同现象有不同原因，形成机理也不同，作为工艺应该立足于现场，看实物分析现象，这样才能把握真因继而改善问题。