湿膜的应用分析

湿膜的应用分析

光成像抗蚀抗电镀油墨，简称湿膜，自九十年代初在我国试制成功，并推向市场。现已经广泛用于电路板行业中，且发展势头很大。湿膜是专门为电路板制图形掩膜和电镀图形掩膜所研制的油墨，凭着它的良好的耐酸性蚀刻、耐碱性蚀刻和耐电镀的特性和优良的分辨率，其应用范围广泛。因它有良好的分辨率，在制造栅网和螺旋线时它能轻松获得0．012mm宽的精细线条(已形成大批量生产)，其远远超过了电路板制造细线条0．06mm宽度。当用于钛金、标牌、面板的掩膜时，又能耐以氟硼酸为主的溶液的攻击，成为首选的掩膜，且价格便宜。
　　1、湿膜的耐蚀性和用于多种掩膜
　　1.1耐多种酸性蚀刻液
　　湿膜的突出一点就是耐多种酸性蚀刻液：酸性氯化铜蚀液、三氯化铁蚀刻液、硝酸系列蚀刻液、硫酸双氧水蚀刻液。这些蚀刻液除用于电路板的蚀刻液外，有的还用于钢铁、不锈钢、铝标牌、面板的蚀刻。
　　1.1.1耐碱性蚀刻液
　　在双面板及多层板的外层蚀刻时均以镀层做为抗蚀层，而蚀刻液为碱性氯化铜蚀刻液。在多层板的内层生产中，多以湿膜做掩膜制造图型。因铜层较厚，而湿膜在一定条件下完全能耐碱性氯化铜蚀刻液蚀刻，样不仅节省了一台设备（酸性蚀刻机），减少了生产面积，省去了辅助设备（再生装置）和蚀刻液的调整与维护，也减少了污染。
　　1.2用于标牌面板的掩膜
　　近几年来湿膜又普遍用于标牌、面板、金属画、滤网、栅网、集成电路框架的掩膜。过去制造这些产品的掩膜都是以重铬酸盐为感光剂的骨胶和聚乙烯醇。根据感光理论：感光的部分产生交联变为三价铬，成为所需的图型留在板面上；而未感光的部分显影后被水冲走的都是六价铬。现在用湿膜代替不仅缩短了生产周期，避免了六价铬的排放，为环保立了大功，也消除了对操作工人的毒害。今年四月在江阴召开的全国标牌技术座谈会上，到会的厂长及各位代表对此呼声很高。一家湿膜制造商在会上发放了约30户样品，销售火爆。看来结束以重铬酸盐以感剂的时刻已经为期不远了。
　　1.3用于模具制造的掩膜
　　湿膜有良好的耐蚀性并非表现在电路板的直接蚀刻，因为一般的敷铜厚度在18um、35um或者更薄。最突出的还是用于压辊模具制造的掩膜（压辊模具用于皮革、织物、塑料和纸张的压花等）蚀刻深度在0.2～0.4mm，用硝酸蚀刻的设备（材质以45＃钢、工具钢较多）。蚀刻方式均按压辊自转浸入法，时间约5～10分钟，用于大规模集成电路框架的蚀刻大都用于三氯化铁温度40～45℃，时间4～6分钟不等（材料：铁镍合金，厚0.4～0.2mm）双面蚀刻。
　　1.4用于电蚀刻的掩膜
　　在标牌、面板的蚀刻中，废液的处理和排放是个大问题，在无条件回首和处理废蚀刻液的小城市更为突出。近几年来风靡全行业的电蚀刻（也称电解蚀刻）工艺解决了这一难题。花上几千元就可以购买一台设备，这是因为电蚀刻液为无污染的蚀刻液，因此也就无需解决蚀刻液的处理和排放。但是用于电蚀刻的掩膜，是用自动刻字机预先刻出不干胶图型，然后再转贴到被蚀刻的表面进行电蚀刻，这样就限制了成批生产（成批成本太高）而细小的字及较精细复杂的图案无法加工，改使用湿膜后，无论是单件还是大批量，无论图案复杂精细与否。均能操作自如。另外，湿膜用于阳纹图案（即图型凸出）的大面积蚀刻的标牌面板更能显示出它的优良性能：底面平整，侧蚀较小。
　　2、较高的分辨率
　　突出的另一优点是有较高的分辨率，从而为电路板加工细线，和精美金属画创造了条件。从经济价值上没有那一种掩膜能和它相比。用单面板的直接蚀刻（包括多层板的内层）时能轻松地做出2mil的线宽和线间。这些数据是在现实的生产中获得而不是试验和样品。
　　近几年在我所能接触的产品中栅网的制造世最突出的一例：材料为不锈钢或铁镍合金，厚度为0.02～0.05mm，用湿膜做为掩膜，蚀刻后镂空的线粗为0.015～0.012mm。另外在金属画的制造中也能按层次版制造，其产品精美具有收藏价值。现在剃须刀的网罩、过滤网、隔音板、金属名片的制作……均以湿膜为掩膜。
　　3、抗电镀性质
　　在双面和多层板升层的图型电镀掩膜，越来越多的厂家由用干膜转为湿膜。随着科技的进步和环保的要求，严禁氟化物的排放已经提到日程上来，原来的镀锡铅溶液因含氟化物，不仅污染水源还影响操作者的健康，为此改为不含氟化物的镀纯锡势在必行。目前，已有许多厂家改用镀纯锡，生产实践证明湿膜做为镀纯锡的掩膜已经被电路板行业认可。另外它做为二次铜镍金、锡铅（仍有部分厂家采用）的电镀掩膜一直在工艺制程中应用。
　　3.1用于标牌的电镀
　　它的抗电镀性能为标牌和面板的制造增加了新的加工手段和新的品种。利用其良好的耐蚀刻和抗电镀性能同时用在标牌、面板取得了良好的效果，如在铜板上镀黑镍的蚀刻面板或标牌。
　　其流程为：蚀刻凸图型→镀黑镍→去膜→保护铜面。这样字和图型维凸出的金色、底为黑色镀层的标牌或面板就完成了，其效果 美观大方，有突出的特色，实为精品（也可做出凹下为金色其余板面为黑色）。
　　良好的抗电镀性能还应用在高档标牌的镀金。北京某研究所的牌子就是镀金，始终保持着光亮的本色。选择镀金是标牌行为制造高档标牌的手段，其效果美观成本却不高。
　　4、湿膜的选择
　　4.1选择的首要条件是环保型的湿膜
　　在诸多的湿膜品牌中，如何选择适于自己产品的湿膜是使用中的主要问题。这就要根据自己的产品特点来选择，在同种产品中其性能未必相同，但首要的条件是选择低毒、无毒或污染较小的湿膜、虽是首要条件但难度较大，因在诸多的品牌中大都含有苯、醚或大量的有机溶剂已经对环境造成污染。有的厂商在标贴上明文告之有机溶剂的名称和含量，但也有相当数量的品牌为低毒型的或正在向低毒迈进的湿膜。可是大量稀释剂的使用（有机溶剂）不可小视。第二个条件就是价格和质量性能的统一。
　　4.2用于单面、内层的电路板、标牌面板的湿膜选择（用于直接蚀刻）用于直接蚀刻的掩膜一定是选择有较好的流平性即不论网印或滚涂，在板面上能迅速流平。因为是用于直接蚀刻其涂布厚度大约在5～10um。有的厂商用加稀释剂扩大涂布面积（随之降低成本），按常规湿膜加稀释剂的量不应超过总量的5％，因产品不同使用者经常加入量由10％～25％不等，其涂布面积由原来的20～25㎡扩大至25~30㎡不等，厚度也可大概降至4～7un。
　　4.2.1稀释添加的控制
　　稀释剂最好是原湿膜厂商提供（也可选择环保或低毒型）。如果稀释剂加的太多将产生曝光能量的下降或抗蚀刻性能的下降。尤其用于滚涂时辊子的槽沟不同（有的无槽沟）加入的稀释剂也各异，也可根据产品的不同适量添加。
　　稀释搅拌时会出现气泡，这是搅拌的原因。搅拌时应沿一个方向，若正反混用，按流体力学理论，流动的液体遇到反作用力将产生漩涡，于是便出现气泡。正常情况下气泡应在网印后40秒内消失。若静10分钟仍未消失这可能是湿膜本身有问题或者稀释剂添加不当。
　　4.2.2湿膜的细度
　　按常规油墨商的说明书上标细度为小于5um。这种细度用于一般线条和网点地掩膜是可行的，但用于细线和细网点时，上述的细度就较为勉强。显影后线条和网点的边缘会出现细小的毛刺。在这种情况下我们就应选择2.5um～3.0um的细度。为了操作方便可购细度计对所购的湿膜进行检测是非常必要的。
　　4.2.3稀释剂的选择
　　前面谈过最好选用湿膜配套的稀释剂，而市面所出售的稀释剂大都含有醚类和苯的碳氢化合物，最好不用或者少用。湿膜是集UV感光和热固为一体的成膜物，含有一定量的溶剂。这些溶剂不仅有嗅味而且毒性较大（根据不同品牌不同溶剂而言），严重地危害工人健康和周围环境。早在上世纪八十年代德国统计，每年用涂料和油墨的溶剂高达40吨。美国、瑞典等国也立法严格限制有机溶剂的加入，并规定：油墨及涂料含苯的碳氢化合物不得高于5%。
　　我国在《工业企业设计卫生标准》也规定在操作间甲苯、甲醛、苯及苯的同系物在1m内的最高允许值。随着我国工业的飞速发展，现在地操作间有很大改善，通风送风室内空气新鲜，但是最根本的问题是请研究部门或专家们研究开发无毒或低毒的湿膜，其体系的改进是唯一的出路。
　　5、用于抗电镀的湿膜选择
　　首先应满足双面板的图型电镀及多层板升层的图型电镀，以及标牌面板和装饰性较强的金属画的电镀。
　　5.1良好的触变性
　　用于双面板及多层板升层的图型电镀的湿膜选择较为严格。首先是湿膜应有良好的触变性和所规定的粘度。在网印时随着润量（即在网印前为使湿膜能润 网版，在承印物上放一张干净白纸，刮印几次在纸上；正式印时将纸掰掉）次数的增加，逐感油墨变稀，而印在承印物上且流延较小，保持着油墨的厚度，从而杜绝了湿膜流入孔内，显示出良好的触变性。
　　5.2耐显影性
　　它的耐显影性应表现在规定的范围内有较大的宽容度。在规定和正确的曝光条件下，线孔边或焊盘上的湿膜被显掉后图型的线条不能变粗或变细。不能有残膜。
　　5.3良好的耐电镀性
　　首先能抗击电镀前的酸性或碱性去油液，能耐镀铜、锡铅、镍金、纯锡（包括镀黑锡），应不起皮、湿膜不褪色（不能污染药液）、不渗透、不脱落（前面有部分叙述）。在规定的工艺条件内褪膜较易。
　　5.4对湿膜成分中固体含量的要求
　　用于抗电镀的湿膜，其固体含量应保持在70％～75％，在使用中不能加稀释剂。如果粘度较大，可用搅拌或用粗网印刷便可解决。
　　5.4.1湿膜的固体含量、厚度和镀层关系
　　双面板和多层板的升层在图型电镀时均进行：二次镀铜、镀纯锡（或铅锡或镍金）。孔壁和表面的镀层要增加标准所规定的0.015～0.025mm，那么耐电镀的湿膜也应达到或近似这个厚度（指干燥后）。如果膜层很薄，镀层将会出现突沿（也称压边），去膜后线条的两侧将会有一条极细的湿膜被镀层压住，蚀刻后将会出现边缘不整齐，达不到陡直的效果，严重时造成报废。
　　如果固体含量低，无论用何种方法一次无法印出所需厚度，也会出现堵孔现象，给下道工序带来麻烦。
　　5.4.2满足厚度的必要条件和测算
　　为满足电镀时所要求的湿膜厚度，进行网目的选择是非常必要的。从丝网的材质上应选择尼龙丝网，因为它有廉价、较小的摩擦系数、良好的透墨性和平滑性，这在手工印刷时操作者省力，且获得较多的透墨率。网印时影响湿膜厚度的因素很多，有两个恒量：丝网厚度和湿膜的固体含量。变量有：刮板硬度、刮印时刮板和承印物的角度、刮板压力的大小、刮印的次数、刮印度速度。这里提供一个计算公式参加：Ft·S
　　公式中Ft为丝网厚度，S为固体含量。其实，Ft·S也只是膜厚的理论值，但有关资料所提供的数据同本公式出入较大：即刮印一次留在承印物上的湿膜仅有网厚的25～30％，准确地计算必须考虑以上的五条变量因素。许多资料也列表提供使用不同网目数所印出的不同厚度。实践表明：随着网数的减少而印的渐厚，但同所标识的数据相差较大。所以，也只能按自己的产品要求的膜厚选择丝网，并认真地将五个变量考虑进去，才能算出较准确的膜厚。
　　6、湿膜在使用中的缺陷：氧的阻聚
　　在湿膜曝光时，氧的阻聚能使光化交联速度减慢直至阻止，严重时还能使膜面发粘。氧的阻聚有两个方面：一是对引发剂的影响，可是激发状态下的光敏剂猝降，降低了引发剂的效率。二是在聚合过程中有阻聚作用。
　　6.1调整湿膜配方降低氧的阻聚
　　为了躲避氧的干扰，使湿膜在阳光下顺利完成聚合，油墨制造商和专家们进行了长期的探索和实践，找出了许多方法：如在湿膜配方中选择理想的光敏引发体系，使氧和固化体系隔离；提高光敏引发剂的浓度；选择合适的树脂等。这些方法虽然收到了一定的成效，但也只是最大程度上减少了氧的干扰，这种干扰在制造一般图型时可以不考虑，然而在制造细线或精细的图型时就必须认真去克服，否则达不到预期的效果（指制造2mil的细线和网点）
　　6.2光能量的计算和实例：
　　公式： E＝I·T
　　其中I=光强，用mv/㎝表示
　　T＝时间，用秒为单位，
　　E＝光能量，用mj/cm表示
　　例：我们测算一曝光机的光强为10mv/cm，选用曝光时间为10秒：
　　共光能量E＝I·T＝10·10＝100mj/cm
　　同样测得另一台曝光机的光强为5mv/cm，选用曝光时间20秒也能获得100 mj/cm的光能量。但是经过曝光显影后用100×的放大镜观察，后者线条变粗（阳纹）、变细（阴纹），严重时显影困难。因为湿膜的上层受UV光照射后很快产生交联，但后者因强度较小UV光不低瞬间射入底部，这时氧从非曝光区进入缺氧的曝光区，因时间的加长及光的扩散，部分交联和聚合不能及时完成，氧停留在曝光区及周围。此现象多发生在用湿膜较厚的产品，如模具，或分辨率较高的产品栅网等。双面板及多层板升层细线的图型制造也在此范畴。
　　6.3在曝光工序中降低氧的阻聚
　　另外一个解决办法就是在曝光的工序中去考虑，如上所述解决的办法就是增加曝光强度相对地缩短曝光时间，短时间内溶解氧的速度快于氧扩散进入曝光区的速度，也就是在非曝光区的氧还未进入曝光区时已经完成了整个曝光程序，UV光能迅速地射入湿膜的底部完成聚合和交联。