實驗室用印刷電路板之製作(下) @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

五、直接感光抗蝕法

　　直接感光抗蝕法是利用一種感光抗蝕劑,直接塗佈於蝕刻物上,經過感光,把該蝕刻部位的抗蝕膜經顯影後洗去進行蝕刻的方法。

　　利用直接感光抗蝕法製作電路板,主要用於單位面積較大,要求精密而產量不大時,或者單位面積特小而又要求精密時使用。

　　對於實驗室的工作者而言,直接感光抗蝕無疑也是製作實驗用電路板的快捷方法之一,尤其是製作大面積的數位電路,熟習此法,更可給你許多方便。

5-1 感光抗蝕劑的選擇

　　感光抗蝕劑通常可分為兩類,一為水溶性的屬於印刷製版膠劑類,像上述的網版用乳劑也是屬於具有抗蝕能力的感光乳劑。這類水性乳劑並不適用於直接感光抗蝕之用其理由如下:

　①在金屬面上的擴散性不良,除非有特別的塗佈設備,否則很難塗佈均勻。

　②雖然膠劑本身硬化後也有相當良好的抗酸蝕能力,但水性劑難與金屬面牢固附著,在蝕刻時常發生斑剝現象。

　　因此直接感光抗蝕常用另一種溶劑型的感光抗蝕劑,此類抗蝕劑僅有柯達、愛克發、富士製藥等大公司之製品,其配方均為專利性質未見有公開過。所幸這類感光抗蝕劑均能長期保持不變。

　　由於每一種感光抗蝕劑的配方並不相同,性質各異,因此於購置前最好先詳閱資料,確定適用後方始購置。以下僅就筆者常用的富士製的抗蝕劑的用法、性質提供參考:

　　由富士藥品公司製造的感光抗蝕劑,有兩種,均稱為FSR(FUJI Super Resist),一種為藍色液,一種為無色感光後略呈淡黃色液。

　　藍色液對金屬面有極佳的浸透擴展性,業餘塗佈容易,硬化後抗酸,但不抗鹼,一般多用於銅牌,精密電路板等之製作。

　　無色液黏度較高,業餘塗佈稍顯困難,但具有抗鹼能力,故除與藍色液有相同的用途之外,亦可供鋁銘版(面板)之鹼性蝕刻用。

5-2 蝕刻物的清潔處理

　　使用溶劑型抗蝕劑時,蝕刻物多不需做特殊的清潔處理,因為大多數的油脂類均能被抗蝕劑中之溶劑所溶解。在銅箔表面如發現有氧化現象時,可用化纖製的『人工菜瓜布』擦洗之。乾後,再用少量抗蝕劑或專用的稀釋液,顯影液擦拭一遍,即可供塗佈抗蝕劑用。

　　如欲以鋁板經蝕刻製作面板,則鋁板表面應事先加以研磨,使出現所希望的金屬紋理,經陽極氧化成耐酸鋁膜後再塗佈抗蝕劑。

　　任何鋁板的表面,因自然風蝕的結果,在表面上均會形成一層很硬的耐酸鋁膜,在業餘製作時,如予直接研磨,很難得到理想的紋理,此時可先置入10~20%的苛性鈉溶液中(加溫到50~60℃)進行全面碱性蝕刻,使表面鬆軟後,再用細銅刷小心刷之,即可出現極細微的金屬紋理。

　　為使此軟化之表面安定,並且染色容易,故於表面處理後,要經過陽極氧化處理,陽極氧化處理的方法是,將鋁板垂直懸掛於10~20%的稀硫酸溶液(可買鉛電瓶液加2~3倍水代用)中,陰極用乾電池拆下的碳棒,同時懸於液中通以每100cm² 1~3A的直流電(用電源供應器調節電流最佳)經過大約30分中到一小時,取出後,就成為銀白色狀,如想製成黑底白字面板,此時可先用油性簽字筆的補充液以溶劑稀釋後將鋁板染成黑色或其他顏色。不管染色不染色,之後均要放入熱水中煮上3~5分鐘左右,使氧化膜毛孔收縮,染料則已附著其上。接著可如製作電路板一樣塗佈感光抗蝕劑準備感光。

5-3 抗蝕劑的塗佈

　　在專業的製造過程中,抗蝕劑是在一種所謂澆版機中實施塗佈的。在澆版機中裝有每分鐘旋轉200~250轉的吸盤,上蓋則裝有電熱管。澆版進行時把鋁板或銅板固定於吸盤上,使其旋轉,抗蝕劑則自中間傾入,利用離心力使表面形成一均勻的薄膜並烘乾之。

　　而於業餘製作時,因無此項設備,塗佈的工作,就不得不動一些腦筋克服之。當電路板的面積不大,而又使用FSR藍色液時,一般以小毛刷塗佈後保持傾斜任其流滴,差堪可以得到適用在均勻度,可是如果使用FSR透明液時,因黏度高,往往無法塗得均勻,且厚度較厚,影響精度,此時若能找到一手搖鑽或轉速不很高的馬達裝上吸盤(五金行可買到)做離心式塗佈當可獲得較佳之效果。

　　最近本刊與天網電子公司合作,正研究一種利用高壓罐裝置的噴霧式感光抗蝕劑,可用噴霧式來塗佈,自可使業餘或實驗室中的製作者獲得極大的方便。

　　目前這種噴筒已在本刊實驗室中正式使用,唯因使用富士製透明原液調製,成本極高,如何使售價低至一般人士均能適用的程度,則正在研究中,希望試用此筒者可在本刊服務部購得。

　　抗蝕劑於塗佈後,要進行烘乾,溫度約在60~70℃之間,不可太熱,實驗室中可用熱風機吹乾之。

　　已塗佈抗蝕劑並烘乾處理的蝕刻物,理論上是可以長期儲存而不失其感光性能的。但由於在塗佈及烘乾過程中,因非在全暗下操作,難免使光膜受到微量感光性,是故塗佈後之蝕刻物(銅、鋁板)最好在、兩天內實施感光顯影,以免失效白費功夫。

5-4 感光

　　直接感光抗蝕法之感光過程和晒置網板的感光過程大致相同,但可能更不容易做得好。理由是在網板底下墊有海棉,上壓玻璃,容易使底片與光膜密接。而直接感光時,光膜塗在金屬板或電路板銅箔上,其表面難保一定平整,加上底片與玻璃一壓,其密接總是有點困難的。為了彌補這種缺陷建議讀者更應盡量利用直射(直角射入)的日光為光源,以獲得較精緻的線條。

　　感光光度與時間的關係,大致與網版之感光差不多,即直射日光1~3分,暗陰之漫射自然光為3~8分鐘,二支20瓦日光燈併排(加光罩)距離30公分時,至少為30分鐘以上。

　　另有一點與網板晒製不同處為:除非變更蝕刻的正常過程(下將有述),晒製網板用陽片,直接感光則用陰片,它們始終是相反的。

5-5 顯影及定影

　　不同的感光劑,有不同的專用顯影劑,顯影離不了是該種感光劑的同性溶劑。初購感光抗劑尚未摸熟該種抗蝕劑的性質之前最好連同顯影劑一齊購回,但顯影劑的用量未必和抗蝕劑一樣,是故當專用顯影劑未用完之前,間或以試用各類溶劑顯影,一旦顯影劑先用完後就可以用該類溶劑顯影了。

　　以筆者所用的兩種FSR抗蝕劑而言,藍色液經試用可以香蕉水為顯影劑,而透明劑則可以煤油代替顯影劑,使用代用劑時特別注意顯影時間的縮放,效果上是不會相差太遠的。

　　顯影的方法是將顯影液裝於淺盤中,將感光後的蝕刻物光膜朝上整個浸泡在顯影液中,經約30秒~2分鐘(特別注意時間的長短),光膜未經感光部分會先鬆脫溶劑,而已感光部分也開始因溶劑侵入而膨鬆起來,此時立即取出在清水盆中輕輕漂洗(保持水流),當殘餘溶劑被水漂起後,以感光之光膜即顯得結實多了,但無論如何在此時及此前一定注意不要碰到光膜,以免掉落。

　　對藍色液而言,在顯影水洗後,已可清楚地看到要印的圖案文字全部呈藍色呈現,但是透明液,因要兼顧及鋁銘板之製作,未加染料(染料會浸入鋁表面的氧化細孔中無法去除),所以印文僅稍有痕跡可辨。

5-6 堅膜

　　經水洗之光膜,並未將膜中溶劑完全清除,所以光膜仍易脫落,且不具抗蝕能力,此時需再經火烤加溫,溫高可達120℃以上,使溶劑完全揮發,形成一牢固之抗蝕膜。

　　經堅膜後到進行蝕刻之前,可將抗蝕膜仔細以肉眼檢查一遍,有斷線之處可用油性簽字筆補上,顯影不完全處則以刀片刮去。

　　假如抗蝕膜的檢查,是一非常重要的過程,則透明劑,在水洗之後,可實施染色處理(限電路板)使光膜現色,然後再進行水洗及烘烤。

5-7 其他感光抗蝕劑

　　以上敘述主要乃是以筆者所習用的富士藥品工業公司所製之FSR的兩種抗蝕劑的一般特性為例所做的介紹。事實上除此之外尚有多種可供選擇的抗蝕劑,如柯達公司的KPR、KPL,愛克發的Agfa-Gevaert,東京應化的TRP,另外更有一類屬於光溶解型的,也就是感光部位可被顯影劑溶解者,光溶解行之抗噴劑如富士藥品的LCP及東京應化的Photosol等等。

　　當讀者熟悉一兩種抗蝕劑的特性後,有幸接觸其他廠牌製品時,相信不難依據說明書的指示,加以運用。

六、蝕刻術

　　所謂蝕刻者,乃利用某種具有腐蝕性的溶劑、粉劑或膏狀物,將被蝕刻物未抗蝕的部份,腐蝕刻去一部份厚度,甚至貫穿而言。

　　電路板的製作即是典型的蝕刻術的運用,另外有讀者提起本刊曾介紹的靜電喇叭的自製法中,多孔鋁板的鑽孔是否可用蝕刻法,相信也是一條極為可行的途徑,希望讀者於熟悉網印抗蝕及直接感光抗蝕後,除了製作電路板之外,能舉一反三多加利用。

　　以下仍就印刷電路板(銅鉻板同)及鋁銘板之蝕刻過程,簡單介紹之。

6-1 銅箔(板)之直接蝕刻

　　在此所稱直接蝕刻者,是指銅表面一經附著抗蝕曾(不管是印上去的、畫上去的或感光上去的)即進行蝕刻之方法。

　　銅箔直接蝕刻常用氯化鐵溶液為蝕刻液。氯化鐵是用鹽酸溶解碎鐵後再用硝酸使之氧化而成。當其濃度甚高時,即成為棕黃色的塊狀結晶。且其色澤愈黃,表示酸性愈高,腐蝕力愈強,反之如為棕橙色者,酸性較弱,此可供選購時之辨識參考。

　　一般調製腐蝕液時,要在塑膠質的耐酸容器內進行,將綠化鐵溶入溫水中,用木棒攪拌經數小時後始能溶解。比較適合的濃度,大約在波美38~41度之間,當濃度低於37度或高於43度時,腐蝕速度均有降低趨勢。在溶解時,如無波美計(類似比重計,化工原料行有售)可在常溫下,調成飽和溶液,此時之濃度大約為45度,使用時,酌量加入十分之二的水,即可稀釋到約為40度左右,切忌於完全溶解後盆底仍留有塊狀結晶,使容易維持飽和狀態,不僅腐蝕速度慢,且白費氯化鐵。

當腐蝕液將銅腐蝕後,會析出鐵離子(Fe(OH)₃)減弱腐蝕力,並生泡沫性的汙染,是故,溶液中可酌加入硝酸或鹽酸以防止之。腐蝕液的腐蝕力一旦降低,顏色變綠時,溶液中所含之氯化亞銅,會將結晶黏積在銅箔表面,自然形成抗酸膜而不利於腐蝕的進行,所以陳舊的腐蝕液不能以補充氯化鐵來維持其腐蝕能力。

　　為了提高腐蝕速度,溶液應酌行加溫到大約50~60度間,同時不斷攪動或搖動,避免氯化亞銅之附著。提高腐蝕速度的好處是有限度地防止側蝕的發生,使腐蝕之線條平整。一般最佳之腐蝕完成時間,大約在5~8分鐘之內完成(視銅箔厚度而定)如腐蝕時間超過20~30分鐘以上時,效果一定不理想,甚至有斷線之虞。

　　氯化鐵溶液除了可以腐蝕銅之外,幾乎可說是一多用途的腐蝕液,例如不鏽鋼、鐵、鎳、鋁、銀等均可被腐蝕,因此可試用為鋁面板的蝕刻液。再者廢棄液的傾倒及排除,要特別注意防範衛生管道因腐蝕而破壞,當腐蝕進行時,如雙手、不鏽鋼流理台及地面磁磚水泥地被污染時,應迅用草酸溶液清洗之,以免日後無法去除。

6-2 銅箔之間接蝕刻

　　所謂間接蝕刻,是把網印或感光附著的抗蝕層當成抗電解被覆,把無被覆的部份鍍上一層銅以外金屬,如錫鉛、銀、金或鉑等,再把抗蝕層除去,最後選擇只對銅有腐蝕作用的腐蝕液,把銅腐蝕掉,餘下便是有鍍層部分的圖案了。

　　間接蝕刻所用之底片(照相版)與直接腐蝕所用者正好為反轉形(原為正片改用負片)一般只用於專業製造中,例如雙面灌孔電鍍電路板的製作等等,業餘運用徒增麻煩,於此不擬詳述。

6-3 剝膜

　　當電路板蝕刻完成,經水漂洗後,應將抗蝕油墨或感光劑除去,以利於錫銲作業,此稱為剝膜。

　　大多數的抗蝕材料,包括油墨型及感光型等,在配方製造時,即已考慮剝膜的問題。如果剝膜的問題不予考慮──例如我們可用普通廉價的調合漆當成抗蝕油墨,則到最後,油漆雖可被溶劑溶解,卻無法被破壞。' 製作的數量一多時,徒增清理上的麻煩。

　　一般祇要標明為抗酸蝕的油墨類,通常可用適度的碱性溶液破壞之,例如由大豐電化所製的ER-401 C(黑色)及ER-401 B(青色)兩種抗酸油墨,均可以0.5~2%的苛性鈉溶液來剝膜,而在一般業餘的製作條件下,以普通的洗衣粉浸泡後擦洗亦可。

　　溶劑性感光抗蝕劑的剝膜工作,雖然指定必須使用溶劑(香蕉水、煤油、甲苯等),但因溶劑對光膜的作用乃是破壞而非溶解,所以溶劑之用量並不致過份浪費,也不致因光膜被溶解後形成污染。

　　當光膜經由溶劑適度浸泡後,開始產生鬆脫現象,即可移入一般微碱姓清潔液中實施清洗。

6-4 鋁板處理

　　在一般的情況之下,鋁(面板)之蝕刻,大致比照銅(電路板)的程序來處理,其中包括網印、感光劑塗佈、感光、顯影、蝕刻等等。但由於鋁材之可以被碱腐蝕,以即可用酸電解形成多孔性之抗酸鋁膜,而此膜又可被封閉,是故增加了許多趣味性的變化,讀者只要了解每一不同過程所發生之作用,即可嚐試採用不同過程,以造出不同的面板來。以下僅就這些過程之作用簡述如下以供參考:

表面處理: 新購的鋁板,不管表面如何光滑,其「質感」終究還不適於當作裝飾用的面板來使用。而且鋁板的表面雖然可以自然形成一堅硬的抗酸鋁膜,此膜之厚度,終究不夠,易生刮傷。因此一片準備用來當成面板使用的鋁板,需要經過適當的表面處理。這種表面處理包括有: ①花紋化使產生質感②陽極電解處理,使產生適度的耐酸鋁膜③染色。

花紋化: 鋁板的表面因自然風化的結果造成表面一層硬膜,所以直接用砂紙或銅刷研磨,並不容易獲得理想的質感花紋。所以最好經過10~20%的苛性鈉溶液,做表面腐蝕後再用刷子去刷,可得細微均勻的金屬紋理。表面腐蝕的溫度約為50~60℃,時間約在1~5分鐘左右,可在腐蝕一分鐘後取出試刷,如未軟化,可再繼續腐蝕。

陽極電解: 以數根由乾電池中拆下之碳棒為陰極,待處理鋁板為陽極,懸於10%左右的稀硫酸溶液中,通以1~3A/100cm的電流實施電解,約經30分鐘至一小時後,表面即形成多孔性的耐酸鋁膜。

染色及封孔: 經電解後之多孔性耐酸鋁膜,其孔內很容易滲入染料而形成均勻的染色效果,染料不限於水性、油性,一般墨汁亦可。唯專業製作時,多用油性,以易於控制其均勻度(以免封孔初期部份流失於熱水中),不管染色或不染色,都要經過封孔處理,以免染料流失或不潔物滲入孔內造成污染。封孔的方法,是將鋁板至於熱水(沸點以前)中煮上5~10分鐘。

蝕刻: 一經染色封孔的發色鋁板,其染料已滲入封閉的孔中,不能用普通溶劑洗去,卻可因苛性納溶液的輕度腐蝕而被除去(所以一般發色面板不能用碱性清潔劑擦拭),在腐蝕前如先塗佈能抗碱的感光抗蝕劑,經感光而把需蝕刻的部位除去,再經碱蝕刻時,就可把染料除去而露出白字。

抗蝕被覆: 如前述的感光抗蝕劑,即為一種抗蝕被覆,除感光型外,亦有印型之抗蝕材料,抗蝕材料之選擇,主要注意①能抗酸鹼②塗佈或剝膜時,不造成污染。

直接印刷: 如覺得逐片感光、蝕刻太麻煩時,可實施網印,方法與電路板印刷相同,但印刷應在封孔後實施,如採用可被封型油墨,則可於印後再封孔。

深蝕: 鋁板雖可用氫氧化鈉溶液蝕劑,但其蝕刻速度甚為緩慢,一般只用在把已被封孔的染料除去,如果你希望將面板上的文字符號予以深度蝕刻時,仍可使用氯化鐵溶液行之,為此時應特別注意鋁板應全面加上抗蝕被覆,否則可能使邊緣及反面被不規則腐蝕,而破壞面板的美觀。