CN103774147B - 一种喷头组在蚀刻区做往复运动的蚀刻方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工件在蚀刻区静止不动，而蚀刻剂喷射头组做往复运动的蚀刻方法及装置。喷射头组在向工件喷射蚀刻剂的同时，在蚀刻区内往返移动，控制喷射头组在蚀刻区的往返运动的速度和遍数，控制蚀刻加工的进程，完成预定蚀刻效果。采用这样的结构，装置的长度可以缩短到：2×蚀刻喷头组长度+工件长度或更短。本发明的方法及装置能蚀刻材料厚度为任意大小的工件，并能获得好于现有大型单向工件传送装置的蚀刻质量，特别适合工件长度大或者工件重量大的应用领域。

Description

一种喷头组在蚀刻区做往复运动的蚀刻方法及装置

技术领域

本发明属于电路板加工技术领域，尤其是一种喷头组在蚀刻区做往复运动的蚀刻方法及装置。

背景技术

在电路板加工过程中，通常都包含有蚀刻步骤，现有的蚀刻方式及设备通常分为四类，它们是浸泡式、鼓泡式、泼溅式和喷淋式。这四种蚀刻方式的特点分别为：

浸泡蚀刻是蚀刻剂与工件间相对静止的蚀刻方式，蚀刻液装入容器内，蚀刻时将印制板或工件全部或部分浸入到蚀刻剂中，蚀刻剂与被蚀刻材料交界面上，蚀刻剂因化学反应逐渐被消耗，生成金属离子的络合物，与周围的蚀刻剂形成了浓度差。因为浓度差的存在，络合物不断向外扩散到蚀刻剂中，蚀刻剂不断向内扩散到界面上，使得蚀刻反应继续进行。浸泡式的缺点是蚀刻剂和被蚀刻材料相对静止，靠浓度差引起的扩散完成蚀刻剂更新，蚀刻速度非常慢，抗蚀剂往往耐受不住长时间的浸泡而脱离，蚀刻精度和质量难于控制，不适合精细线路电路板制作。

鼓泡式蚀刻采用泡沫蚀刻机，借助压缩空气，使蚀刻液产生大量泡沫，浸没印刷板。控制压缩空气的压力和流量，使泡沫破裂—再生，促进反应进行。蚀刻时，被蚀刻工件固定，蚀刻剂运动。主要组成部分是储液槽、鼓泡发生器，和放置工件用的托架。蚀刻剂的流动的动力由压缩空气提供。发生鼓泡的装置埋在蚀刻剂中，外接压缩空气被引入鼓泡管中，空气从鼓泡管中排出，并与蚀刻剂相互作用，不断形成蚀刻剂气泡，随着气泡不断增多，体积膨胀，沿流动床流动，遇到电路板时，有些气泡破裂，液体与气泡的混合物，冲刷电路板，实施蚀刻。这样的结构，不适于设计成连续生产模式，由于气泡流动，对被蚀刻表面冲击力有限，且流动方向与需要切入的方向垂直，因此蚀刻精度和速度有一定局限。此外，水平放置工件，会导致工件两面液体流动状况不同。朝下的被蚀刻表面，由于重力原因，液体更新更快，被蚀刻的快些。朝上的被蚀刻表面，由于液体重力和表面张力原因，越靠近工件表面，流动越慢，蚀刻速度因此变慢，被蚀刻工件的两面，就不可避免地出现蚀刻偏差。

溅射式蚀刻是利用电机带动装有叶片的转轴，借助离心力的作用，把蚀刻液泼溅到印制板上进行蚀刻。这种设备属于工件固定不动，蚀刻剂运动类型。工作时，电机带动部分浸在 蚀刻剂中的叶片旋转，叶片击打蚀刻剂，使其加速，溅射到工件上，冲击被蚀刻材料表面。因为电机不停旋转，叶片接连不断地将新鲜蚀刻剂溅射向工件上，到达工件材料的表面上的药液有一定的冲击力，并不断更新，因此采用这样的设备蚀刻速度较快。但是，这种方法，一般只能使蚀刻剂到达对工件的一面，不能同时蚀刻两面，对于需要双面蚀刻的工件，操作比较麻烦。同时，溅射的方法，很难保证蚀刻剂在整个工件表面上冲击力和分布密度均匀一致，蚀刻质量不好控制。既不能保证产品均匀一致，又不适合连续生产。

喷淋式是当前的主流技术，利用泵将蚀刻液送入上、下喷头，喷成雾状微粒，以一定的压力喷淋到工件的被蚀刻面上进行蚀刻，有些喷淋式蚀刻机的喷头在一定范围内水平摆动，以保证整块板子的各部位都能喷上药液。工件由传送带或辊道进行传送，使蚀刻连续进行。蚀刻液循环使用。喷淋式蚀刻设备主要由过滤和储液部分，药液喷淋循环部分，工件传输部分组成。在这样的设备上，腐蚀剂和工件都是运动的，蚀刻剂运动的方向，与需要切入的方向一致。蚀刻液被泵打入喷淋管路中后，以一定的压力从喷嘴喷出。喷嘴分成上喷淋组和下喷淋两组，沿铅垂线方向安装并排成阵列，上喷淋组从上向下喷，下喷淋组从下往上喷。喷淋嘴喷液形状有圆锥体和扇形两类，相邻喷嘴喷出的蚀刻液到达板面时，有一定的重叠区，不留空白。

在上、下喷淋组之间，是工件传输系统。圆转辊以通常按30、50或70mm轴距排列，转辊由电机通过伞形齿轮或传送带带动旋转，转辊上每隔一定间距装有轮片，轮片支撑电路板。轮片随转轴旋转时，带动水平放置的电路板向前移动。只有转辊和叶轮紧密排列，才能保证小板、薄板和软板传送时不掉板，不卡板，但紧密排列又会遮蔽喷淋液到达下表面。

水平传板，垂直喷淋蚀刻方式及设备，上下板方便，自动化程度高，适合大批量生产。但带来的问题是电路板上下表面腐蚀速度和质量不一致。由于重力的作用，喷到下表面的蚀刻液很容易脱离蚀刻面滴落，溶液交换速度快，不断有新溶液与蚀刻面接触，减少了侧蚀的机会，侧蚀较小，因而蚀刻速度快，蚀刻质量好。而上表面的蚀刻液需要水平流动至边缘，才能排出，交换更新慢，蚀刻剂停留时间长，在垂直蚀刻的同时向两侧蚀刻，特别是板中间部位，液体流出格外困难，导致蚀刻速度慢，并且侧蚀严重。这样的结构导致电路板的下表面蚀刻快而好，上表面边缘尚可，而中间慢而差。

公开号为CN202272951U的中国专利提供了一种垂直传板，水平喷射的蚀刻方法及设备。在这个专利中，电路板垂直传送，蚀刻药液沿水平方向喷射，避免了水平传板导致的水 池效应、板两面蚀刻不一致等缺陷，具有明显的优势。直线开口喷嘴按一定规律排布在蚀刻室两侧，没有传送辊阻挡，每个喷嘴以一定压力水平喷射蚀刻液，像展开的扇面，交叉喷到板面上，两面喷射压力一致。电路板始终处于直立状态，利于蚀刻药液流动交换，不存在由于上表面中间部位液体滞留而导致的蚀刻速度慢、质量差的水池现象。电路板垂直传送，不存在向上和向下喷射的差别，没有重力导致的压力差，不会出现一面过腐蚀，另一面蚀刻不足现象。因此，电路板两面蚀刻状况相同，蚀刻速度一致。

上述喷淋或喷射式蚀刻方法及装置，尽管工件在蚀刻过程中处于运动状态，但这类设备采用单向传板方式，会造成工件上与传送方向垂直的条状图形，有迎向传送方向和背向传送方向之分，迎向传送方向的侧壁与背向传送方向的侧壁所受蚀刻液喷射压力不同，迎向传送方向的侧壁受蚀刻液的喷射压力大，背向传送方向的侧壁受蚀刻液的喷射压力小，造成迎向传送方向的侧壁出现过蚀刻，而被向传送方向的侧壁出现欠蚀刻的现象。

此外，单向传板方式设备，只能通过调节传送速度或改变蚀刻区长度，适应不同厚度材料的蚀刻。这使得设备用途单一，长度大，体积大，需要配置的药液多，设备能耗大。然而，在实践中，在一种蚀刻装置上，既需要能蚀刻较薄的材料，又需要蚀刻较厚的材料。

发明内容

本发明针对专利CN202272951U描述的方法的不足，提出了一种喷头组在蚀刻区做往复运动的蚀刻方法及装置，按照本发明的方法，可以改进专利CN202272951U中方法的不足，减小设备体积，降低设备费用，增加操作时的控制手段，改善蚀刻质量，扩展设备用途。

本发明采用的技术方案是：

一种喷头组在蚀刻区做往复运动的蚀刻方法，用一种可以往复运动的蚀刻剂喷射头组系统，在向工件喷射蚀刻剂的同时，在蚀刻区内往返运动，用往返遍数及速度控制蚀刻加工的进程，使装置适合蚀刻各种材料厚度，直到蚀刻达到预定的程度为止，步骤为：

⑴将工件放置在蚀刻装置内，喷头组在向工件喷射蚀刻剂的同时，自工件的起点端向工件的终点端移动；

⑵当喷头组移动到工件的终点端后，反向从工件的终点端向工件的起始端移动，移动的同时向工件水平喷射蚀刻剂；

⑶从起点端和终点端分别再次向另一端移动喷头组，喷头组移动的同时，向工件水平喷射蚀刻剂；

⑷待工件被蚀刻完毕后，将工件从蚀刻区传送到所述蚀刻装置水洗或下料区。

而且，工件在蚀刻区内垂直放置，步骤⑴、⑵和⑶所述的蚀刻是通过喷头沿垂直于工件的蚀刻面方向向工件的蚀刻面喷射蚀刻剂实现的。

而且，步骤⑶所述喷头组往返移动的次数依据视蚀刻进程确定。

而且，所述蚀刻装置包括工件载具、喷头组和喷头组传动系统，所述工件载具和喷头组传动系统均安装在蚀刻装置内，喷头组安装在喷头组传动系统上，所述喷头组包括两排喷射管，每排喷射管分别包括一条或多条相互平行的喷射管，每条喷射管上均间隔均布连通安装有多个喷头，两排喷射管上的喷头相向设置，所述工件载具位于两排喷射管之间，所述喷头组传动系统包括驱动部件和传动链，两排喷射管镜像对称地安装在所述传动链上，传动链带动两排喷射管在蚀刻区内往返移动。

而且，所述喷射管均为竖管或横管。

而且，所述工件载具装载工件时，工件两侧的被蚀刻面分别与两排喷射管上的多个喷头相对应，在驱动部件带动或牵引两排喷射管在传动链上实现往复运动时，两排喷射管上的多个喷头同时对所述工件两侧的被蚀刻面进行喷射。

而且，所述蚀刻机内部蚀刻区的长度≤两倍喷射管的长度与工件长度之和。

本发明的优点和效果是：

1、本发明的方法及设备用于以质量容易控制的方法和小而紧凑的设备，完成多种材料，多种任务的蚀刻加工，或显影、去膜加工，特别适合工件长度大，而且被蚀刻去除的材料厚度大的应用领域。

2、采用本发明的方法，能加工厚度不同的材料，特别去除较厚的材料，增加设备的功能；减小蚀刻装置的体积，降低成本；使蚀刻更均匀，适合加工高精度产品。这种方法及装置，适合铭牌面板，集成电路引线框架、SMT焊膏漏印模版、金属过滤网和罩网、光栅及薄片金属零件的显影、蚀刻和去膜加工，特别适合电路板样品、小批量、多品种和更高精度制作，同时也适合一般电路板生产。

3、本发明采用喷头组移动的方式进行蚀刻，与工件移动、喷头组固定的方式比，在蚀刻时工件静止而喷头组移动的蚀刻方法及装置，适合工件长度大或重量大的工件。通过蚀刻剂喷射头组在蚀刻区往返移动，在有限蚀刻空间内，增加了蚀刻区的有效长度，实际需要的空间比工件单向运动的或往复运动设备需要的空间要小，并且在蚀刻时不需要移动工件，因 此按本方法设计的设备体积小而紧凑。

4、本发明在缩小的设备空间的同时，获得了同等蚀刻剂喷射密度，而且所需要的喷射头数量少，需要的蚀刻剂泵送的流量减小，可以选择相对小流量的泵送装置，缩小了蚀刻剂的供应量，减小了蚀刻装置的功率。

5、本发明基于蚀刻剂喷头组在蚀刻区内往返移动，在有限的蚀刻空间内，可以通过增加往返遍数，任意增加蚀刻区的有效长度，无论被蚀刻材料的厚薄，都可以蚀刻，增加了设备的用途。

6、本发明与单向通过式工件传送蚀刻方法及装置相比，蚀刻剂喷射头组往复运动，能不断改变被蚀刻图形与传送方向间的迎向或背离的状态，抵消因传送方向导致图形不同边缘所交蚀刻面与侧壁构成的空间内微流动状态的不同，使蚀刻过程更一致，改善了蚀刻质量。

附图说明

图1是本发明中喷射管均为竖管时蚀刻装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种喷头组在蚀刻区做往复运动的蚀刻方法，用一种可以往复运动的蚀刻剂喷射头组系统，在向工件喷射蚀刻剂的同时，在蚀刻区内往返运动，用往返遍数及速度控制蚀刻加工的进程，使装置适合蚀刻各种材料厚度，直到蚀刻达到预定的程度为止，步骤为：

⑴将工件放置在蚀刻装置内，喷头组在向工件喷射蚀刻剂的同时，自工件的起点端向工件的终点端移动；

⑵当喷头组移动到工件的终点端后，反向从工件的终点端向工件的起始端移动，移动的同时向工件水平喷射蚀刻剂；

⑶从起点端和终点端分别再次向另一端移动喷头组，喷头组移动的同时，向工件水平喷射蚀刻剂；

⑷待工件被蚀刻完毕后，将工件从蚀刻区传送到所述蚀刻装置水洗或下料区。

上述蚀刻装置包括工件载具、喷头组和喷头组传动系统，工件载具和喷头组传动系统均安装在蚀刻装置内，喷头组安装在喷头组传动系统上，喷头组包括两排喷射管，每排喷射管分别包括一条或多条相互平行的喷射管，每条喷射管上均间隔均布连通安装有多个喷头，两 排喷射管上的喷头相向设置，工件载具位于两排喷射管之间，喷头组传动系统包括驱动部件和传动链，两排喷射管镜像对称地安装在所述传动链上，传动链带动两排喷射管在蚀刻区内往返移动。

在本装置中，每条喷射管均为竖管。工件载具装载工件时，工件两侧的被蚀刻面分别与两排喷射管上的多个喷头相对应，在驱动部件带动或牵引两排喷射管在传动链上实现往复运动时，两排喷射管上的多个喷头同时对所述工件两侧的被蚀刻面进行喷射。本蚀刻机内部蚀刻区的长度≤两倍喷射管的长度与工件长度之和。

本发明的蚀刻装置，配备了一种能带动蚀刻剂喷头组在蚀刻区内往返运动的传送系统。传送系统的移动速度和蚀刻喷头组在蚀刻区往复遍数是通过单片机或可编程序控制等电子装置改变电机转速和转向实现的。在本发明中，蚀刻液喷射系统，沿水平方向，并从与工件被蚀刻表面垂直的方向，分别从工件的外侧向里和工件的里侧向外同时向工件喷射蚀刻剂。

在本发明中，对于大而重的工件，需要支承。而普通工件，需要配用工件垂直装卡挂具。采用垂直装卡挂具时，需要防止挂具本身对向工件表面喷射蚀刻剂的遮挡作用。为此，本发明可以采用罩网兜住工件，也可以采用中空的框架夹持工件。

下面提供一种本发明所提及的蚀刻装置的内部结构，其具体结构为：

见图1，该蚀刻装置的喷射管包括蚀刻喷射管18以及水洗喷射管5，在该蚀刻装置内上部水平安装滑道，在滑道上水平运行吊装有工件载具，工件载具的平移通过一驱动设备来实现，因为工件载具的结构需要与不同工件，即不同电路板具体结构匹配使用，而且均为现有技术，所以在附图中予以省略，在工件载具装载有工件3，蚀刻装置内设置有蚀刻区和水洗区，蚀刻区包括两排镜像对称的竖直的蚀刻喷射管，每排蚀刻喷射管底部共同连通安装在一蚀刻液分配管17上，每条蚀刻喷射管上均间隔均布连通安装有多个喷头，两排喷射管上的喷头相向设置，蚀刻喷射管下部的蚀刻装置安装有蚀刻液槽14，蚀刻液槽内盛放有蚀刻液10，同时还可承接蚀刻时下落的蚀刻液，蚀刻液槽通过一蚀刻喷淋泵15与两排竖直的蚀刻喷射管连通；水洗区包括两排镜像对称的竖直的水洗喷射管，每排水洗喷射管底部共同连通安装在一清洗水分配管7上，在蚀刻装置内中部水平间隔架设有多条辊轮，所述蚀刻液分配管以及清洗水分配管分别平放在多条辊轮上，每排蚀刻喷射管以及每排水洗喷射管顶部分别通过一传动链或滑轨2和4连接一伺服电机1和6予以驱动，使蚀刻喷射管排或水洗喷射管排在支承辊轮上滚动向左或向右运动。

每条水洗喷射管上均间隔均布连通安装有多个喷头，两排喷射管上的喷头相向设置，水洗喷射管下部的蚀刻装置安装有水槽12，水槽内放置有清洗水13，同时还可承接水洗后下落的清洗水，该水槽通过一水洗喷淋泵8与两排竖直的水洗喷射管连通，工件两侧的被蚀刻面分别与两排蚀刻喷射管上的多个喷头、两排水洗喷射管上的多个喷头相对应，当工件装载部件在滑道上平移时，工件随工件装载部件平移，实现在蚀刻区内运动。

蚀刻区的长度＝2×蚀刻喷头组的长度+工件长度。

为使蚀刻剂均匀喷射到电路板各部分，蚀刻喷射管及水洗喷射管上相邻各列喷头交错分布，当工件进入蚀刻区或水洗区后，工件载具停止运行，两侧的蚀刻喷射管或水洗喷射管平移并开始喷射蚀刻剂或清洗水，由此完成蚀刻或水洗。在靠近蚀刻区一侧的蚀刻装置可设置有上料区，上料区可以设接驳台，用于与其它生产设备连接或生产缓冲、检验、测试用；靠近水洗区一侧的蚀刻装置可设置有下料区，下料区可以设接驳台，用于与其它生产设备连接或生产缓冲、检验、测试用。

蚀刻液槽通过一加液泵11与一加液槽9实现连通，蚀刻液槽内设温度、液位、比重、液体参数等传感器，有过滤、静止、排液口、加液口、检视窗，由此便于及时添加蚀刻液的控制。

本实施例中，所有电机的启闭以及加液泵的控制均由一电控系统进行调控16，其中，电控系统根据蚀刻槽液的比重和其它参数，控制加液泵、阀动作，将蚀刻液槽中添加原料液。由于电控系统均为现有技术且可采取多种选择方式，故在本发明申请中不予以赘述。

在本实施例中，工件垂直放置在蚀刻区内，其被蚀刻面垂直于水平方向；

蚀刻喷射管或水洗喷射管传送系统，传送方向、传送速度、传送的距离可调，带动喷射头组向前和向后运动。传送系统带动喷射头组在装置中以不同的速度、遍数和距离做机械式往返运动，实现被蚀刻面与全部或部分喷头喷射出的蚀刻剂流体成90度角不断交错；

为使蚀刻剂均匀喷射到电路板各部分，蚀刻喷射管上的相邻各列喷头交错分布。当工件进入蚀刻区后，开始喷射蚀刻剂；

电控系统由传感器、装有微处理器的电路板、继电器等部件构成，形成控制显示、传动、喷射、蚀刻液槽、自动添加等部件，和上下料区内部件动作的各子系统。显示系统为触摸屏，用于显示和操作，可以显示设备运行的状态，设置设备的运行参数，是设备的操作面板；

电控系统还要控制传动系统的起停、传动方向、速度、往返遍数以及喷射控制系统控制 喷射泵、阀的动作。蚀刻液槽控制系统控制蚀刻液温度、液位；

同时，电控系统还需对上、下料区域部件控制系统控制各挤干、吹干、烘干部件的动作。

上述蚀刻操作的步骤为：

⑴打开设备，将蚀刻剂加温到50℃，将传送速度设置为1m/min，将往返遍数设置为4个往返。

⑵将显影后的105μm的厚铜箔FR4板放到上料区，传入蚀刻区，在以2bar的压力向厚铜箔板喷射蚀刻剂的同时，使其在蚀刻区内做往返运动。

⑶往返多次后，将蚀刻完毕的厚铜箔板传送至水洗区，进行水洗。

⑷将水洗后的电路板传送到下料区，取下，并检查结果。

Claims (5)

1.一种喷头组在蚀刻区做往复运动的蚀刻方法，其特征在于：用一种可实现往复运动的蚀刻剂喷射头组系统，在向工件喷射蚀刻剂的同时，在蚀刻区内往返运动，用往返遍数及速度控制蚀刻加工的进程，使装置适合蚀刻各种材料厚度，直到蚀刻达到预定的程度为止，步骤为：

⑴将工件放置在蚀刻装置内，喷头组在向工件喷射蚀刻剂的同时，自工件的起点端向工件的终点端移动；

⑵当喷头组移动到工件的终点端后，反向从工件的终点端向工件的起始端移动，移动的同时向工件水平喷射蚀刻剂；

⑶从起点端和终点端分别再次向另一端移动喷头组，喷头组移动的同时，向工件水平喷射蚀刻剂；

⑷待工件被蚀刻完毕后，将工件从蚀刻区传送到所述蚀刻装置水洗或下料区，所述蚀刻装置包括工件载具、喷头组和喷头组传动系统，所述工件载具和喷头组传动系统均安装在蚀刻装置内，喷头组安装在喷头组传动系统上，所述喷头组包括两排喷射管，每排喷射管分别包括一条或多条相互平行的喷射管，每条喷射管上均间隔均布连通安装有多个喷头，两排喷射管上的喷头相向设置，所述工件载具位于两排喷射管之间，所述喷头组传动系统包括驱动部件和传动链，两排喷射管镜像对称地安装在所述传动链上，传动链带动两排喷射管在蚀刻区内往返移动，所述喷射管均为竖管或横管。

2.根据权利要求1所述的喷头组在蚀刻区做往复运动的蚀刻方法，其特征在于：工件在蚀刻区内垂直放置，步骤⑴、⑵和⑶所述的蚀刻是通过喷头沿垂直于工件的蚀刻面方向向工件的蚀刻面喷射蚀刻剂实现的。

3.根据权利要求2所述的喷头组在蚀刻区做往复运动的蚀刻方法，其特征在于：步骤⑶所述喷头组往返移动的次数依据蚀刻进程确定。

4.根据权利要求1所述的喷头组在蚀刻区做往复运动的蚀刻方法，其特征在于：所述工件载具装载工件时，工件两侧的被蚀刻面分别与两排喷射管上的多个喷头相对应，在驱动部件带动或牵引两排喷射管在传动链上实现往复运动时，两排喷射管上的多个喷头同时对所述工件两侧的被蚀刻面进行喷射。

5.根据权利要求1所述的喷头组在蚀刻区做往复运动的蚀刻方法，其特征在于：蚀刻机内部蚀刻区的长度≤两倍喷射管的长度与工件长度之和。