摘要：在印制電路制作過程中，蝕刻是決定電路板最終性能的最重要步驟之一。所以，研究印制電路的蝕刻過程具有很強的指導(dǎo)意義，特別是對于精細線路。本文將在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上建立模型，并以流體力學(xué)為理論基礎(chǔ)進行噴淋蝕刻精細線路過程中溝道內(nèi)流體分析。通過分析溝道內(nèi)側(cè)壁，底部流體的相對速度，可以得到溝道內(nèi)各部位擴散層的相對厚度。最后獲得的擴散層相對厚度決定了各個部位蝕刻反應(yīng)的相對速度。

在精細印制電路制作過程中，噴淋蝕刻是影響產(chǎn)品質(zhì)量合格率最重要的工序之一。現(xiàn)有很多的文章對精細線路的蝕刻做了大量的研究，但是大多數(shù)都只停留在表象的研究中，并沒有從本質(zhì)上認識噴淋蝕刻中出現(xiàn)的問題。一般只通過優(yōu)化噴淋過程中的一些參數(shù)，改變噴淋的一些操作方式等進行相關(guān)研究工作。本文將從流體力學(xué)的角度，建立模型來分析流體在銅導(dǎo)線之間凹槽底部各個位置的相對蝕刻速度，從本質(zhì)上研究蝕刻液流體的蝕刻過程的機理。

1. 模型建立

在噴淋蝕刻過程中，蝕刻液是通過蝕刻機上的噴頭，在一定壓力下均勻地噴淋到印制電路板上的。蝕刻液到達印制板之后進入干鏌之間的凹槽內(nèi)并與凹槽內(nèi)露出的銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此時的蝕刻液既能與銅導(dǎo)線之間凹槽的底露銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時液能與凹槽側(cè)壁的露銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 。

在建立模型之前，對蝕刻液流體及干膜之間的凹槽做如下假設(shè)：

(1) 干膜之間凹槽的長度（導(dǎo)線長）相比凹槽的寬度來說是非常大,這樣就可以將蝕刻過程的流體分析看成是在凹槽內(nèi)的平面二維流體來分析；

(2) 在銅導(dǎo)線之間的凹槽內(nèi)，蝕刻液的的成分在每個部位都是一致的，同時各個部位的溫度保持不變，即沒有熱交換；

(3) 在進入凹槽之前，噴淋下來蝕刻液的速度方向都是垂直向下的，噴淋的速度都是一致的,為u0；

(4) 噴淋時，認為在凹槽中蝕刻液是從凹槽中央噴射出來的，如圖1所示：

(5) 在凹槽中，將反應(yīng)后流體看成是凹槽內(nèi)的環(huán)境流體，對噴射有一定的微擾作用。

基于以上的假設(shè)，建立相應(yīng)的模型。如圖2，3所示，蝕刻液是從干膜之間凹槽的中央噴射出來的。作用的周圍環(huán)境介質(zhì)與流體的性質(zhì)一致。噴射的流體與凹槽底部的露銅作用后會沿著凹槽的兩側(cè)壁流出。

要解答此模型，首先要分析蝕刻液流體的噴射流體力學(xué)，再使用噴射流體力學(xué)分析的結(jié)果獲得凹槽底部的擴散速度，蝕刻速度等。并分析了凹槽側(cè)壁出現(xiàn)側(cè)蝕的主要原因。

①凹槽底部噴射流體力學(xué)分析

由于蝕刻液是從凹槽中央噴射出來的，所以蝕刻液流體可以使用到射流的流體力學(xué)來分析。首先，建立相應(yīng)的坐標(biāo)體系，以凹槽的上邊緣為Y軸，凹槽的中央垂直線為X軸，線間距為2b0，凹槽深度即干膜的厚度為c（c≥2b0），如圖4所示：

從（4）式可以看出，任意Y截面的X方向相對速度分布符合高斯正態(tài)分布，如圖5：

在射流時，雖然反應(yīng)后的溶液對流體射流有干擾，但是u/um的比值依然在任意x值時符合正態(tài)分布。所以，在凹槽的底部，流體的相對速度依然符合（4）中正態(tài)分布。

②凹槽側(cè)壁流體力學(xué)簡單分析

射流流體在運動過程中，流體與流體之間有切應(yīng)力，所以，與周圍環(huán)境的流體作用時，在y軸方向會不斷地擴展（如圖3所示），即在y軸方向，流體有一定的速度。在射流理論中：

b1/2=αx（其中α為常數(shù)，約為0.1左右）

當(dāng)y值取在u=um/2時，那么y軸方向的速度υ1/2為：

υ1/2=α u (5)

任意的x值時，這種關(guān)系都是存在。在x=c處也是存在這種關(guān)系的。在方程中，u的值為任意x 截面射流中流體x方向的平均速度。當(dāng)x=c時，u =γum，由在y截面x方向速度符合的高斯正態(tài)分布可以知道，γ為一個常數(shù)。由于銅導(dǎo)線之間的凹槽寬度2b很小，所以，蝕刻液流體經(jīng)過與底部作用后其y軸的方向的速度沒有多大的變的化。當(dāng)流體作用到凹槽的側(cè)壁時，b1/2處作用速度為：

υ1/2=αγ um (6)

2. 流體速度與蝕刻反應(yīng)速度的關(guān)系

在蝕刻過程中，蝕刻液中的反應(yīng)離子是通過流體運動，擴散運動達到露銅箔的表面并與銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的。流體運動的速度與擴散層的厚度決定著反應(yīng)的速率。在流體運動時，其受到銅箔表面流體的阻力f作用。根據(jù)物理學(xué)動能定理可以知道：

f* l =1/2mu2

則：流體的流動距離l 正比u2，也是符合正態(tài)分布的。所以，流體運動分別使擴散層的降低的厚度l符合正態(tài)分布。

3. 討論

通過上面建立的模型并用射流的理論獲得了底部的各個部位的蝕刻液離子的擴散速率，并搞清楚了側(cè)壁上出現(xiàn)的主要原因。針對酸性氯化銅溶液，擴散速度與蝕刻反應(yīng)速度是成比例關(guān)系的。所以，凹槽內(nèi)底部各個部位蝕刻的速度相對中央最大速率區(qū)也是成一定關(guān)系的：

（11）式中的參數(shù)η，h可以實驗獲得。從圖6可以，凹槽底部銅箔的形狀定性地滿足式(11)的關(guān)系。在側(cè)壁上，從圖6可以看出，其側(cè)蝕程度最大處在x>c某處，而不是與流體作用時間最長的x=c處。這是由于在此處，流體具有y 軸的速度，與凹槽底部作用后，y軸的速度就作用與x>0某處，使其反應(yīng)離子擴散層變的更薄，提高了蝕刻液的擴散速度，加快了蝕刻液與側(cè)壁的銅離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)了更嚴重的側(cè)蝕 。

通過以上的分析，要實現(xiàn)良好的蝕刻效果，要求凹槽底部的蝕刻速度快，側(cè)面的蝕刻速度慢，此時必須要降低y方向的速度。

4. 結(jié)論

在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的模型，利用射流理論來解出凹槽底部不同位置速度相對于中間最大速度um的比值。再根據(jù)擴散理論獲得了凹槽底部不同y值處蝕刻液反應(yīng)的相對速度關(guān)系。底部的蝕刻反應(yīng)的相對于中央最大速度是符合一定關(guān)系的。在射流時，y軸方向也有速度的，這對側(cè)壁的蝕刻液離子具有擴散作用。所以，在x>c的某處，才出現(xiàn)一個嚴重側(cè)蝕區(qū)。