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2023春季国际PCB技术/信息论坛8图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection铍铜酸性蚀刻工艺研究 Paper Code:S-014 江赵哲 张国兴（湖南维胜科技有限公司，湖南 长沙 410100）摘 要 铍铜具有高强度、高弹性、高导电性等优点，在摄像头、雷达等领域得到广泛应用。铍铜的化学组成有别于常规铜箔，因此其在印制电路板加工过程中需要特殊管控，其中蚀刻工艺尤为关键。结合铍铜的应用领域，文章将从蚀刻速度、线路补偿、图形间距等方面综合分析铍铜与常规铜箔在精细线路加工过程中的差异，为铍铜产品的酸性蚀刻工艺提供参考。关键词 铍铜；常规铜箔；精细线路；酸性蚀刻 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0008-07 Study on acid etching process of beryllium copper Jiang Zhaozhe Zhang GuoxingAbstract Beryllium copper is widely used in camera,radar and other fields because of its high strength,high elasticity,high conductivity and other advantages.The chemical composition of beryllium copper is different from that of conventional copper foil,so it needs special control in the process of PCB processing,and the etching process is particularly critical.Combined with the application field of beryllium copper,this paper will comprehensively analyze the differences between beryllium copper and conventional copper foil in the process of fine line processing from the aspects of etching speed,line compensation,pattern spacing,etc.,to provide a reference for the acid etching process of beryllium copper products.Key words Beryllium Copper;Conventional Copper Foil;Fine Circuit;Acid Etching0 前言 铍是一种重要的金属资源，在国防军工、航空航天、战略核能等领域具有举足轻重的地位。铍铜是市场总量最大的铍合金材料，具有高强度、高弹性、高导电性和耐腐蚀性等诸多优良性能。由于常规铜箔硬度较低，对于一些有刚性需求的软板产品（例如摄像头、雷达等），常规铜箔就难以满足要求，因此铍铜得到了更多的关注。有别于常规铜箔，铍铜在印制电路板中的应用尚未成熟，许多加工工艺都需要进行摸索，其中通过酸性蚀刻加工精细线路更是尤为关键。蚀刻过程中，药水对铜面有纵向蚀刻和横向侧蚀，其影响大小可表征为蚀刻因子，因此蚀刻因子是衡量蚀刻后线路品质的一项重要指标。常用的蚀刻因子计算公式为：蚀刻因子=铜厚(下线线宽-最窄线宽)2侧蚀未过度时，最窄线宽为上线宽；侧蚀过度时，最窄线宽为腰部两弧之间最小距离（如图1）。按蚀刻后线路形态来说，侧蚀也就是常说的毛边大小，蚀刻因子越大，则毛边越小，蚀刻线形越好，制作精细线路的能力越强1。9图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection 2023春季国际PCB技术/信息论坛图1 蚀刻因子计算示意图1对于常规铜箔的蚀刻因子测试，其大小主要受以下几个因素影响1-2：1、蚀刻速度：蚀刻速度越慢，板材在蚀刻液中停留的时间越长，蚀刻量越大，毛边越小，蚀刻因子越大。2、图形间距：图形间距越小，图形间药水交换越困难，沟槽效应加剧，毛边越大，蚀刻因子越小。3、板面铜厚：在同种蚀刻条件下，铜厚越厚，毛边越大，蚀刻因子越小。4、铜箔粗糙度：在同种蚀刻条件下，铜箔粗糙度越大，毛边越大，蚀刻因子越小。基于此，文章也将针对部分影响因素作为本次试验的控制变量，进而分析铍铜在酸性蚀刻过程中的注意要点。1 试验设计与结果分析1.1 铍铜与常规铜蚀刻对比在相同试验条件下，将铍铜和常规铜分别进行蚀刻测试，从而判断两种材料的差异。由于铍铜材料粗糙度低，因此常规铜选用超低轮廓铜箔，以降低粗糙度的影响。1.1.1 试验试验设备：酸性蚀刻线、线宽测量仪、金相显微镜试验材料：铍铜厚：（40.03）m；常规铜厚：（40.03）m；蚀刻药水：HCl+H2O2试验设计：补偿后线宽：80 m；间距：101.6 m；蚀刻速度：1.8 m/min；测试面朝下过水平蚀刻线。1.1.2 结果与讨论通过金相显微镜对蚀刻后的线路截面进行了表征，如图2所示。在相同试验条件下，铍铜和常规铜蚀刻效果具有明显差异，二者的上线宽接近，但是铍铜的下线宽远大于常规铜的下线宽。图2 铍铜与常规铜酸性蚀刻后线路切片图使用线宽测量仪分别采集了100组测试数据，并计算出蚀刻因子，数据分布如图3所示，铍铜的平均蚀刻因子为1.1，常规铜的平均蚀刻因子为7.2，使用P值检验法进行显著性分析，计算结果P0.01，证明铍铜与常规铜在相同试验条件下存在极显著性差异。造成该差异的主要原因为二者的化学组成不同，铍铜相较于常规铜更难被药水咬蚀。以蚀刻因子3.0为衡量标准，该条件下铍铜的蚀刻效果显然不达标，因此需要进行特殊管控提高铍铜的蚀刻因子。2023春季国际PCB技术/信息论坛10图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection图3 蚀刻因子数据分布图1.2 蚀刻速度对铍铜蚀刻的影响蚀刻速度是产线易于调控且关键的蚀刻参数之一，因此我们优先考察不同蚀刻速度条件下铍铜蚀刻效果的差异。1.2.1 试验试验设备：酸性蚀刻线、线宽测量仪、金相显微镜试验材料：铍铜厚：（40.03）m；蚀刻药水：HCl+H2O2试验设计：补偿后线宽：80 m；间距：101.6 m；蚀刻速度（1.0、1.2、1.4、1.6、1.8）m/min；测试面朝下过水平蚀刻线。1.2.2 结果与讨论使用金相显微镜对不同蚀刻速度下的线路进行切片分析，如图4所示，可以清晰看到蚀刻速度对于铍铜的蚀刻效果作用明显，上线宽随着蚀刻速度降低有一定减小，但下线宽随着蚀刻速度降低减小幅度极大，蚀刻速度为1.2 m/min时，铍铜的下线宽与蚀刻速度1.8 m/min时的常规铜下线宽接近，证明铍铜需要比常规铜更长的蚀刻时间。而当蚀刻速度达到1.0 m/min时，线路出现大量剥离，其原因主要有两点：一、铍铜本身粗糙度低，与基材的结合力较差。二、随着蚀刻速度降低，喷淋给板面带来的压力时间也得到延长。因此蚀刻速度也并非越小越好。图4 不同蚀刻速度下的线路切片图使用线宽测量仪分别采集不同蚀刻速度下的线宽数据，并计算出对应的蚀刻因子，如图5所示。蚀刻速度（1.8、1.6、1.4、1.2）m/min时对应的蚀刻因子分别为：1.1、2.1、2.6、3.4，在一定范围内，蚀刻速度越慢，蚀刻因子越大，这是由于随着蚀刻速度的降低，铍铜与药水的接触时间延长，蚀刻量增大，毛边减小。因此蚀刻速度的控制能有效提高11图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection 2023春季国际PCB技术/信息论坛铍铜的蚀刻因子，其中1.2 m/min为测试最佳蚀刻速度，蚀刻因子符合控制标准。图5 蚀刻因子与蚀刻速度关系图1.3 线宽补偿对铍铜蚀刻的影响线宽补偿是控制蚀刻后线宽大小的重要设计值，同时，铍铜与常规铜蚀刻存在极显著性差异，因此我们需要针对铍铜，分析不同线宽补偿对其蚀刻效果的影响。1.3.1 试验试验设备：酸性蚀刻线、线宽测量仪、金相显微镜试验材料：铍铜厚：（40.03）m；蚀刻药水：HCl+H2O2试验设计：补偿后线宽：60 m、70 m、80 m；间距：101.6 m；蚀刻速度：1.2 m/min；测试面朝下过水平蚀刻线。1.3.2 结果与讨论图6为使用金相显微镜拍摄的蚀刻后线路截面表征图，由图可知，相同条件下不同补偿设计主要影响了蚀刻后线宽的大小，根据蚀刻后下线宽与补偿线宽对比，差值约为20 m，该值也作为我司厚度40 m的铍铜补偿参考设计值。图6 不同线宽酸性蚀刻后线路切片图2023春季国际PCB技术/信息论坛12图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection使用线宽测量仪分别采集100组数据，并计算对应的蚀刻因子，补偿后线宽60 m、70 m、80 m的平均蚀刻因子分别为：3.5、3.5、3.4。在该测试条件下，不同的线宽补偿设计对于蚀刻因子影响较小。同时，我们更改了蚀刻速度重复进行测试，测试结果一致。但当线宽补偿足够大时，如图6（d）所示，X值（下线宽与最窄线宽差值的二分之一）会变小，相应蚀刻因子增大，这可能是由于线宽补偿足够大时，单位面积内药水需蚀刻的铍铜量减小，蚀刻区域的蚀刻量反而增大，毛边相应减小。因此对于线宽设计值较小时，线宽大小对于蚀刻因子影响不大，当设计值足够大时，蚀刻因子会随之增大并达到稳定。1.4 图形间距对铍铜蚀刻的影响图形间距同样为一项重要的设计值，间距的存在会增大药水交换的难度，从而影响蚀刻效果，因此我们将分析图形间距对铍铜蚀刻效果的影响，进而为设计提供参考。1.4.1 试验试验设备：酸性蚀刻线、线宽测量仪、金相显微镜试验材料：铍铜厚：（40.03）m；蚀刻药水：HCl+H2O2试验设计：补偿后线宽：80 m；图形间距：63.5 m、76.2 m、88.9 m、101.6 m；蚀刻速度：（1.2、1.6）m/min；测试面朝下过水平蚀刻线。1.4.2 结果与讨论参考我公司的设计规范以及设备的制程能力，最小图形间距设计为63.5 m，并以12.7 m为公差进行递增。图7为不同图形间距蚀刻后线路切片图，由图可知，在该测试条件下，图形间距对于线形几乎没有影响。图7 不同间距酸性蚀刻后线路切片图（V蚀=1.2 m/min）当蚀刻速度为1.6 m/min时，不同图形间距的所带来的差异就显而易见了，如图8所示，随着图形间距的增大，下线宽随之减小。这是由于蚀刻时间缩短，蚀刻量降低，此时图形间距越小，沟槽效应加剧，药水交换变得更加困难，导致毛边增大。使用线宽测量仪分别测试了100组数据，并计算出对应的蚀刻因子，如图9所示。当蚀刻速度为1.2 m/min时，图形间距63.5 m、76.2 m、88.9 m、101.6 m对应的平均蚀刻因子分别为：3.5、3.3、3.4、3.4，蚀刻因子接近；当蚀刻速度为1.6 m/min时，图形间距63.5 m、76.2 m、88.9 m、101.6 m对应的平均蚀刻因子分别为：1.2、1.7、2.1、2.5，蚀刻因子有明显变化，且随着间距的增大而增大。说明当蚀刻时间满足药水充分交换时，图形间距造成的沟槽效应影响很小，当蚀刻时间不够充分时，图形间距对药水交换的阻碍作用得到凸显，间距越小沟槽效应越显著。13图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection 2023春季国际PCB技术/信息论坛2 结论与展望2.1 结论由于铍铜为特殊的合金材料，因此在蚀刻工序需要进行特殊管控，文章对铍铜的酸性蚀刻进行了初步的研究测试，测试结论如下：（1）蚀刻速度对于铍铜的蚀刻效果影响显著，相较于常规铜，铍铜需要更慢的蚀刻速度，但由于铍铜的粗糙度低，因此过低的蚀刻速度会造成线路剥离，实际生产过程需要着重注意蚀刻速度的控制。（2）对于精细线路，线宽补偿对于铍铜的蚀刻因子影响不显著，但当线宽补偿足够大时，蚀刻因子会得到提高并达到稳定。（3）图形间距对于铍铜蚀刻的影响要分开讨论，当蚀刻速度较慢时，药水有充分的时间进行交换，此时图形间距造成的沟槽效应影响很小；当蚀刻速度较快时，图形间距对于药水交换所带来的阻碍作用得到放大，间距越小，蚀刻越困难，蚀刻因子越小。图8 不同间距酸性蚀刻后线路切片图（V蚀=1.6 m/min）图9 蚀刻因子与图形间距关系图2023春季国际PCB技术/信息论坛14图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection2.2 展望本论文对铍铜的酸性蚀刻工艺提供了一定参考价值，但受限于材料规格以及设备能力等因素，还有许多地方需要进一步研究和探索：（1）由于此次测试的铍铜为订制材料，价格昂贵，因此只有40 m的铜厚规格，对于铜厚与蚀刻因子之间的影响研究未能开展测试。（2）由于研究时间有限，以及蚀刻水平线作业紧张，未能测试喷淋压力以及药水体系对于蚀刻因子的影响。同时在铍铜的加工过程中，除了蚀刻工序，还有黑孔、电镀、表面处理等工序均需要特殊管控。以上为铍铜材料后续可拓展的研究方向。参考文献1张真华,蒋忠明,刘海龙.外层蚀刻因子改善研究J.印制电路信息,2021,29(S01):7.2彭镜辉,何平,韩龙.酸性蚀刻线宽补偿与蚀刻因子,铜厚及线间距关系研究J.印制电路信息,2013(4):12.第一作者简介江赵哲，硕士研究生，任湖南维胜科技有限公司研发工程师，主要负责新产品开发以及新材料测试。