CN103731994A - 用覆厚导电层基板材料制作厚导电层电路结构电路板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用覆厚导电层基板材料制作厚导电层电路结构电路板的方法，该方法是先行制作监测盘，然后用激光或机械手段去除导电层，借助监测盘控制去除深度留下一薄层不去除，最后，再用蚀刻的方法去除留下的导电层。本发明的方法，采用激光方法制作导电结构主要部分，采用蚀刻技术，加工导电层与绝缘载体交界处导电结构，解决了厚铜箔板加工时，蚀刻技术侧蚀和激光技术损伤载体绝缘材料的加工难题，适合制作轮廓和侧壁几何尺寸精确，侧壁陡直平滑的厚导电层导电结构电路板。

Description

用覆厚导电层基板材料制作厚导电层电路结构电路板的方法

技术领域

本发明属于电路板制造领域，尤其是一种用覆厚导电层基板材料制作厚导电层电路结构电路板的方法。

背景技术

减成法制电路板技术最关键的步骤就是制作导电图案，即按照设计要求，将覆导电金属箔绝缘板上不需要的导电层去除，留下的部分导电层作为电路结构。去除不需要的导电层通常用印制--蚀刻方法，先在覆铜箔板表面上进行图形转移，将需要保留的导电图形部分的导电层，通常是铜箔，用保护性材料--抗蚀剂覆盖起来，而把非导电图案部分，即将要去掉的铜则暴露在外。蚀刻时，腐蚀剂和与暴露在外的铜相互接触，发生反应，把铜溶解到蚀刻剂溶液中，达到了除去的目的。

蚀刻方法的优点是形成导电结构后，基本不会伤害导电层下面的绝缘载板，电路板的介电性能比较容易控制。但蚀刻方法的加工精度受很多因素影响，难以控制，导致做出的电路图形的几何尺寸偏离设计要求，不适合制造极其精细的电路结构，比如由于图形转移精度不高，侧腐蚀效应等问题，都是电路板加工的难题。当导电层厚度大时，特别是导电层厚度接近导线间最小间距时，侧腐蚀效应会更加突出，制出的导线横截面上窄底宽，甚至局部断线，在实践中很难制造由厚导电层构造的精细线路。

用激光直接将不需要的导电层光蚀去掉，留下需要的部分制作电路板的方法，加工步骤少，精度高，适合制作极其微细的结构，应用越来越广泛。激光方法加工覆有厚导电层的电路板时，一般要逐层去除导电层，到达绝缘载体处为止。然而，激光逐层去除导电层接近绝缘材料时，很难准确控制激光能量，即很难控制去除程度，使其恰恰光蚀掉导电层，而不伤或少伤绝缘材料。要么是激光能量过大，去掉导电层的同时，也大幅度地去掉绝缘材料，要么是激光能量不够，不能够完全去除导电材料，不能形成完全的绝缘区域。由于这样的原因，激光直接逐层剥除导电层，即所谓的直接激光成型技术，加工需要厚导电层的精细线路，会伤及绝缘基板材料，导致产品的介电性能不可控制。

用机械装置直接铣掉不需要的导电层，也可以制作电路结构，步骤少、几何尺寸精度较高，适合打样。但也存在与直接激光成型相同的问题，即由于材料厚度不匀，或翘曲不平，或装置本身构造问题等等原因，很难控制机械刀具铣削进入导电层深度，使其恰恰铣透导电层，不伤或少伤其绝缘载体。事实上，用机械方法加工覆厚导电金属层的电路基板材料，除了会伤害绝缘材料，影响介电性能外，还存在刀具磨损快，成本高的缺点，应用较少。

可见，不论用上述那种方法，制作几何尺寸精度要求高、导电层厚度大，且不能伤害绝缘材料的电路板都有困难。现有的技术满足不了大电流、制冷、线圈或传感器、射频微波、电机驱动等等要求导电层达到一定厚度，导电结构几何尺寸精确、导线侧壁陡直平顺，绝缘基材完整无伤、均匀一致的电路结构或电路板的制作需求。

发明内容

本发明针对蚀刻方法和激光直接或机械直接成型技术制电路结构，因为导电层过厚而出现的加工困难之处，提供了一种利用覆厚导电金属层绝缘基板材料制作含厚导电图形结构的电路板的方法，本方法提出了新工艺路线，给出了操作要点，按照本发明的方法，可以采用市场上通用的基板材料，用激光直接成型技术，导电结构几何精度高，线路侧壁陡直平滑，不伤绝缘基材，即使导电层厚度大，比如厚200μm以上，也能保证产品质量。

本发明的技术方案是：

一种用覆厚导电层基板材料制作厚导电层电路结构电路板的方法，其特征在于：先用激光去除电路板基材非导电图案部分上部的导电层，控制去除程度，到剩余的与绝缘材料接触的底层导电层厚度既能被通用的蚀刻技术快速去除且又能厚到由于激光能量偏差和导电层厚度偏差恰不被激光穿透，而导致损伤导电层绝缘载体程度为止，其步骤为：

⑴制作监测盘，即从该监测盘图案区域上去除厚度为0.1-10μm导电层；

⑵同时去除绝缘图案区域的导电层和监测盘区域的导电层，直至监测盘图案区域露出电路板基材时为止；

⑶对该在制电路板进行蚀刻加工，去除绝缘图案区域上留下的导电层，从而得到符合设计要求导电图形结构。

而且，步骤⑴所述的监测盘的形状和位置是适合加工的任何图案和任何尺寸，其位置是在覆导电材料表面上用于设计要求的导电图案轮廓的外部或按照设计要求的导电图案轮廓内的非导电结构的区域。

而且，步骤⑴所述的去除的方法为定深加工的激光或定深加工的机械铣削方法。

而且，在步骤⑴所述的从该监测盘图案区域上去除厚度为0.1-10μm导电层时，通过控制激光或机械铣削加工参数或者通过用导电层测厚仪器测量剩余导电层控制去除程度。

而且，在步骤⑴所述的制作监测盘时，去除导电层的厚度约等于步骤⑵中激光或机械铣削加工去除绝缘图案区域后所留导电层的厚度。

而且，步骤⑵所述的同时去除绝缘图案区域的导电层和监测盘区域的导电层中，去除方法采用激光或机械铣削方法。

而且，步骤⑶的蚀刻方法为直接制出导电和绝缘结构的差分腐蚀方法或能保持金属层厚度不变的印制蚀刻方法。

而且，当步骤步骤⑶的蚀刻方法为印制蚀刻方法时，则在步骤⑴所述的制作监测盘之前，对电路板基材进行图形转移，该图形转移把需要保留的导电图形部分的导电层通过抗蚀剂覆盖起来，把非导电图案部分，即需要去掉的导电层暴露在外。

本发明的优点和效果是：

1、本发明先行制作监测盘，然后用激光或机械手段去除导电层，借助监测盘控制去除深度留下一薄层不去除，最后，再用蚀刻的方法去除留下的导电层。留下的导电层厚度控制在既能够被快速、容易地蚀刻去除，厚度又足够厚而不被激光或机械加工穿透，造成下面的绝缘材料受到损伤。

2、本发明利用了激光直接成型技术和蚀刻技术各自的优势，避免了相应的缺点，加工厚导电层，制成的电路结构几何尺寸精细准确，导线侧壁陡直平滑，而载体绝缘材料完好无损，均匀一致，产品电气性能好，解决了蚀刻方法不能制作精细厚导电层电路结构难题，步骤简单易行，流程短、需要的设备少，适合厚导电层精密电路结构、电路板打样、小批量生产。

具体实施方式

以下将结合一个实施实例，对本发明做进一步的说明。下述的实施实例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施实例来限定本发明的保护范围。

一种用覆厚导电金属层绝缘基板材料制作厚导电图形结构电路板的方法，先用激光去除电路板基材非导电图案部分上部的导电层，控制去除程度，到剩余的与绝缘材料接触的底层导电层厚度既能被通用的蚀刻技术快速去除，又能厚到由于激光能量偏差和导电层厚度偏差恰不被激光穿透，而导致损伤导电层绝缘载体程度为止，其步骤为：

⑴制作监测盘，即从该监测盘图案光蚀去除厚度为0.1-10μm导电层，监测盘的形状和位置是适合加工的任何图案和任何尺寸，其位置是在覆导电材料表面上用于设计要求的导电图案轮廓的外部或按照设计要求的导电图案轮廓内的非导电结构的区域，去除的方法为定深加工的激光光蚀或定深加工的机械铣削方法，通过控制激光加工参数如加工遍数、时间等控制去除程度或者通过用导电层测厚仪器测量剩余导电层控制去除程度，光蚀去除的厚度约等于后续激光加工去除绝缘图案区域工序后所留导电层厚度；

⑵同时去除绝缘图案区域的导电层和监测盘区域的导电层，直至监测盘图案处露出电路板基材时为止，去除绝缘图案区域的导电层和监测盘区域的导电层采用激光光蚀或采用机械铣削等物理方法；

⑶对该在制电路板进行蚀刻加工，去除绝缘图案区域上留下的导电层，从而得到符合设计要求导电图形结构。

在步骤⑴所述的制作监测盘之前，可对电路板基材进行图形转移，该图形转移把需要保留的导电图形部分的导电层通过抗蚀剂覆盖起来，把非导电图案部分，即需要去掉的导电层暴露在外，若采用图形转移，在步骤⑶所述的蚀刻时，需依据图形转移方法采用涂覆抗蚀剂的种类来选择酸性或碱性蚀刻剂，蚀刻作业采用高压喷淋或浸泡的方式；若不采用图形转移，用差分腐蚀方法也可直接制出导电和绝缘结构。

下面对每个步骤进行详细说明：

步骤⑴中，制作监测盘时，先用CAM软件在电路板上的非导电图案区域，或导电图案区域内不影响导电结构的部位，生成一个形状和大小任意图案，例如直径为1-10mm圆盘的激光路径，导入到激光直接成型设备驱动软件中。将基板材料放置在设备的加工台上，固定好。然后，控制激光参数，使其能光蚀去除约0.1μm-10μm导电层，光蚀制出监测盘。制作监测盘时，光蚀去除的厚度约等于后续激光加工去除绝缘图案区域工序后所留导电层厚度，可以光蚀一遍去除，也可以多遍去除。

本步骤中制作的监测盘，是后续加工中激光技术、蚀刻技术发挥各自优点，避免相应的缺点的基础。借助观察监测盘是否露底，能控制激光加工厚导电层电路结构恰恰达到接近完成的程度，同时，又不穿透导电层损伤载体绝缘材料。激光加工剩余的导电层厚度约等于本步骤中在监测盘上光蚀去除的导电层厚度，也即是本发明中需要蚀刻去除的厚度。这样，蚀刻时仅需去除薄薄的余铜，侧蚀不会明显，不会损伤绝缘材料，激光去除厚导电层大部分，电路图案几何精度高，线路侧壁陡直平顺。

本步骤一般在电路板制作流程图形转移之后进行。所谓图形转移是把需要保留的导电图形部分的导电层，通常是铜箔用保护性材料--抗蚀剂覆盖起来，而把非导电图案部分，即将要去掉的铜暴露在外。图形转移可以采用电路板制造技术通用的贴干膜法、涂布液体感光胶法或丝网印刷法，或用LDI--激光直接成像法进行。对于高精度要求，或小批量、打样电路板制作，采用激光直接成型方法更好，即先满板涂覆抗蚀剂，比如有机涂料或抗蚀金属，然后用激光直接剥除非导电图形部位的抗蚀剂层，不需要为图形转移去光绘制作光掩模版或制作丝网漏印版，直接完成图形转移。

现实中有很多应用，可以不用图形转移，直接加工裸铜板材，进行完本发明步骤（2）后用差分腐蚀方法完成导电结构制作。这时，应该尽可能薄地去除监测盘上的导电层，比如去除0.1μm-5μm，目的是使后续步骤二激光加工去除绝缘图案区域工序后所留导电层厚度更薄，使后续步骤三需要蚀刻去除的整体导电层厚度更薄，尽可能少减薄形成电路结构的导电金属层厚度。

步骤⑵中，用同样参数的激光同时光蚀绝缘图案和监测盘，去除绝缘图案区域的导电层和监测盘区域的导电层，直至监测盘图案处露出基材时为止。

本步骤中，采用激光方法制作导电结构主要部分，解决了当前蚀刻技术因为导电层太厚，侧腐蚀现象严重，不能制作精细厚导电层电路结构难题，特别是蚀刻方法制作厚导电层电路结构几何精度差，侧壁上下宽窄不一致难题。

激光加工过程中，要随时观察监测盘是否看到基材，如果没有露出基材，继续光蚀，如果露出基材，进入下一步骤。

光蚀是否达到绝缘基材，比如陶瓷等，很容易观察，对于有些绝缘基材，如不便于肉眼观察，可以用万用表测电阻来协助判断，也可以用铜厚测厚仪进行测量。

步骤⑶中，用腐蚀的方法去除非导电图案区域上的余铜，获得符合设计要求导电图形结构。

本步骤中，采用蚀刻技术，加工导电层与绝缘载体交界处导电结构，解决了用激光和机械直接成型技术去除导电材料时损伤载体绝缘材料的加工难题。

因为在步骤（2）中，激光直接光蚀已经去除了较大厚度比例的导电层，剩余的导电层很薄，因此蚀刻速度会很快，侧蚀量因此很小。这样，导电结构的轮廓和侧壁主要由激光加工完成，显示激光加工的特点，几何尺寸精确，侧壁陡直平滑，具有良好的电性能。又由于最后去除与绝缘基材界面接触的剩余导电层采用的是蚀刻方法，激光不直接接触易受激光损伤的绝缘基材，使绝缘材料在加工后完好无损，均匀一致，电路结构的介电性能也得到保障，产品质量好。

大多数情况下，用差分腐蚀法得到的电路板质量就足够好，在步骤（1）前，不需要做图形转移，直接在裸露导电层的基材上制作监测盘，然后进行步骤（2），激光光蚀去除非导电图形上的较大比例导电层厚度。监测盘露出绝缘基材后，理论上非导电图形区域剩余铜厚小于或等于制监测盘时去除的铜层厚度，即0.1μm-10μm，此时用任何一种蚀刻液均可轻松去除余铜，蚀刻可以采用高压喷淋或浸泡或其它作业方式。为尽可能少减薄形成电路结构的导电金属层厚度，在步骤（1）中，应该尽可能薄地去除监测盘上的导电层，比如去除0.1μm-5μm，这样步骤（2）激光去除绝缘图案区域工序后所留导电层厚度更薄，小于5μm，本步骤差分腐蚀去除的导电结构上的导电层厚度就更薄，产品的电气性能将更优越。

若对导电层厚度要求十分苛刻，步骤（1）前需要进行图形转移。如果采用的是干膜、湿膜或其它有机涂料作为抗蚀剂，本步骤中，应该使用酸性蚀刻液，比如FeCl₃体系，CuCl₂/NH₄Cl/HCl体系，或者使用Na₂S₂O₈/H₂SO₄微蚀体系。如果采用金属锡、锡铅合金等金属抗蚀剂体系作为抗蚀剂，应该使用碱性的蚀刻液，比如CuCl₂·2H₂O/NH₄Cl/NH₃·H₂O/体系。

若采用图形转移工序实施本发明制电路板，和通用PCB技术一样，应该用与抗蚀剂相对应的药液将除抗蚀层剥除，比如，干膜或湿膜类抗蚀剂，用NaOH溶液去除，金属锡，用HBO₃/HF/HNO₃的混合水溶液去除。随后，再进行后续的涂覆阻焊、可焊性处理、制作标记字符等加工。

本发明适合多种覆导电层绝缘基板材料。导电层可以是压延铜箔、电解铜箔，也可以是铝箔，镍箔或康铜箔等其它金属导电层。绝缘基材可以是FR4、FR3、FR1、CEM-1、CEM-3、PTFE、陶瓷等等，也可以是有绝缘层的铁、铝等金属基板。

上述步骤中涉及基板材料以及设备可参照如下两个实施例进行操作：

实施例1：

本实施例材料为：1.6mm厚，单面覆有300μm铜箔的FR4覆铜箔自压板。

产品要求：最小线宽间距75μm。

用德中CircuitCAM V7.0计算监测盘和加工图形的激光路径，用德中DCT-DL400激光雕刻机和德中DCT-DES300多功能一体机蚀刻槽（CuCl₂/NH₄Cl/HCl体系）进行线路加工，用德中DCT-DM300刻板机完成钻铣加工，抗蚀剂采用丝网印刷方式涂覆，使用用太阳PER-15SC-1501抗蚀油墨。

操作步骤为：

步骤一，把加工数据读入CircuitCAM V7.0中，数据检查、添加Φ5.0mm监测盘，进行激光路径计算，分别导出钻孔数据、铣外形数据、激光光蚀剥铜数据。

取自压料300μm铜厚FR4单面板材，固定到机械刻板机上，读入钻孔数据，选择合适的位置，进行钻孔加工。

钻孔加工后的在制品经表面打磨后固定到丝印台上，进行湿膜抗蚀剂印刷，然后放入烤箱，在70℃烘烤20分钟。

烘烤干燥后，把在制品固定在激光雕刻机加工台面上，读入CAM计算的加工数据，读孔定位后首先以能量20%，频率20KHz，速度200mm/秒为参数的激光去除图形内非导电图形上和监测盘上的湿膜抗蚀剂，然后以能量30%，频率16KHz，速度180mm/秒为参数光蚀首遍监测盘。

步骤二，仍以能量30%，频率16KHz，速度180mm/秒为参数光蚀加工内部非导电图形和监测盘，连续加工15遍，发现监测盘仍然看不到绝缘基材，当加工到16遍时看到绝缘基材。

步骤三，把在制品放入一体机中进行蚀刻，5秒钟后非导电图形区域露出基材并蚀刻干净。随后，在一体机的去膜槽内去除抗蚀湿膜，水洗吹干后导电图形制作完成。

最后，把PCB固定到机械刻板机上，把事先CAM导出的铣外形数据导入刻板机，读孔定位后进行透铣加工，完成整个PCB的加工。

实施例2：

本实施例材料为：2.0mm厚，双面覆有400μm铜箔的FR4覆铜箔自压板。

产品要求：最小线宽间距200μm。

用德中CircuitCAM V7.0计算监测盘和加工图形的激光路径，用德中DCT-PT300孔化电镀机进行孔金属化，用德中DCT-DL400激光雕刻机和德中DCT-DES300多功能一体机蚀刻槽(CuCl₂/NH₄Cl/HCl体系)进行线路加工和微蚀刻槽(Na₂S₂O₈/H₂SO₄体系)去氧化，用德中DCT-DM300刻板机完成钻铣加工。

操作步骤为：

步骤一，把加工数据读入CircuitCAM V7.0中，数据检查、添加Φ5.0mm监测盘，进行激光路径计算，分别导出钻孔数据、铣外形数据、激光光蚀剥铜数据。

取自压料400μm铜厚FR4双面板材，固定到机械刻板机上，读入钻孔数据，选择合适的位置，进行钻孔加工。

钻孔加工后的在制品经表面去毛刺后用DCT-PT300进行孔金属化，电镀条件为1.5ASD，4小时。

吸水干燥后，把在制品的固定在激光雕刻机加工台面上，焊接面向上，读入CAM计算的加工数据，读孔定位后首先以能量30%，频率16KHz，速度180mm/秒为参数光蚀首遍监测盘。

步骤二，仍以能量30%，频率16KHz，速度180mm/秒为参数光蚀加工内部非导电图形和监测盘，连续加工25遍，发现监测盘仍然看不到绝缘基材，当加工到26遍时看到绝缘基材；翻板定位后，以同样的能量连续26遍。

步骤三，把在制品放入一体机中进行蚀刻，5秒钟后非导电图形区域露出基材并蚀刻干净。在一体机的微蚀刻槽内去除表面氧化，水洗吹干后导电图形制作完成。

随后，把PCB固定到机械刻板机上，把事先CAM导出的铣外形数据导入刻板机，读孔定位后进行透铣加工，完成整个PCB的加工。

Claims (8)

1.一种用覆厚导电层基板材料制作厚导电层电路结构电路板的方法，其特征在于：先用激光去除电路板基材非导电图案部分上部的导电层，控制去除程度，到剩余的与绝缘材料接触的底层导电层厚度既能被通用的蚀刻技术快速去除且又能厚到由于激光能量偏差和导电层厚度偏差恰不被激光穿透，而导致损伤导电层绝缘载体程度为止，其步骤为：

⑴制作监测盘，即从该监测盘图案区域上去除厚度为0.1-10μm导电层；

⑵同时去除绝缘图案区域的导电层和监测盘区域的导电层，直至监测盘图案区域露出电路板基材时为止；

⑶对该在制电路板进行蚀刻加工，去除绝缘图案区域上留下的导电层，从而得到符合设计要求导电图形结构。

2.根据权利要求1所述的用覆厚导电层基板材料制作厚导电层电路结构电路板的方法，其特征在于：步骤⑴所述的监测盘的形状和位置是适合加工的任何图案和任何尺寸，其位置是在覆导电材料表面上用于设计要求的导电图案轮廓的外部或按照设计要求的导电图案轮廓内的非导电结构的区域。

3.根据权利要求1所述的用覆厚导电层基板材料制作厚导电层电路结构电路板的方法，其特征在于：步骤⑴所述的去除的方法为定深加工的激光或定深加工的机械铣削方法。

4.根据权利要求3所述的用覆厚导电层基板材料制作厚导电层电路结构电路板的方法，其特征在于：在步骤⑴所述的从该监测盘图案区域上去除厚度为0.1-10μm导电层时，通过控制激光或机械铣削加工参数或者通过用导电层测厚仪器测量剩余导电层控制去除程度。

5.根据权利要求4所述的用覆厚导电层基板材料制作厚导电层电路结构电路板的方法，其特征在于：在步骤⑴所述的制作监测盘时，去除导电层的厚度约等于步骤⑵中激光或机械铣削加工去除绝缘图案区域后所留导电层的厚度。

6.根据权利要求1所述的用覆厚导电层基板材料制作厚导电层电路结构电路板的方法，其特征在于：步骤⑵所述的同时去除绝缘图案区域的导电层和监测盘区域的导电层中，去除方法采用激光或机械铣削方法。

7.根据权利要求1所述的用覆厚导电层基板材料制作厚导电层电路结构电路板的方法，其特征在于：步骤⑶的蚀刻方法为直接制出导电和绝缘结构的差分腐蚀方法或能保持金属层厚度不变的印制蚀刻方法。

8.根据权利要求7所述的在用覆厚导电层基板材料制作厚导电层电路结构电路板的方法，其特征在于：当步骤步骤⑶的蚀刻方法为印制蚀刻方法时，则在步骤⑴所述的制作监测盘之前，对电路板基材进行图形转移，该图形转移把需要保留的导电图形部分的导电层通过抗蚀剂覆盖起来，把非导电图案部分，即需要去掉的导电层暴露在外。