一种基于向量乱流法的化学蚀刻装置及方法与流程

基于流体力学，雷诺数和bernoulli原理，本发明在化学蚀刻领域提供一种能蚀刻微孔和细线路板的向量乱流化学蚀刻方法，简称向流法。

背景技术：

向流法的重点是向量和乱流，二者缺一不可；向量是指蚀刻液在整个蚀刻过程中都处于方向性压力之下，蚀刻液的流向和行进中的目标线路板成一个角度而不是和目标线路板平行；向量可解析成水平和向下的分向量或分压，水平方向的压力使流液前进，向下的压力则使得乱流主要是涡流，进入微孔和细线路；涡流是多方向、不定形的动能流体，具有扩散性，在压力下会变形而能进入微孔并替换微孔中的积液。

乱流的产生有两个原因，流速增加和流向改变；流速增加在流体内会产生不同方向和流速的层流，层流之间有相对速度和动压，但扩散性较低，对深入微孔的作用较弱；第二个原因：流体因受到阻碍，必须改变方向时，内部会产生不同方向和压力的动能内流体，和周围的流体之间因压力方向不同而产生压力差，同时形成涡流，压力差更大时会发生空泡cavitation，空泡的内部是真空，在外部的压力下，空泡破裂时会产生高速冲击波，扩散性大于涡流，更能深入微孔及细线路，但在设计上无法使整个蚀刻区产生空泡而又不影响流量和向量；向流法导流板的设计有四个部分，兼顾了向量、乱流、涡流、空泡的重要性。

常规化学蚀刻机无法蚀刻微孔和细线路有两个原因，第一个原因：当喷液冲击目标线路板后改变为水平流向前，因为喷液粒径200-400微米，大于微孔50-100微米所以无法进入微孔，液粒中的流体和平流laminarflow一样，只有一个方向和流速，相互之间没有相对速度，对微孔内的积液只会产生静压，积液则对蚀刻液粒会产生同样大的反静压，最后的结果是压力互相抵消，蚀刻液粒无法进入；线路的情形略有不同，线宽25-75微米虽然小于喷液粒径，但线长大于喷液粒径，所以蚀刻液粒可以有限度进入，但无法深入。

第二个原因：蚀刻喷液改变成水平方向流动，方向的改变会产生乱流和涡流，但因为没有上面的压制，所以没有下压的向量；乱流是一种扩散性的动能，很容易消失，流液很快变成平流laminarflow，内部的流体間只有静压，没有向下的压力；常规化学蚀刻机对传动轴一般都采用轮片式轴，即使用实心轴，所产生的乱流因没有下压也无用处；有别于常规化学蚀刻法，向流法的导流板压制了乱流向上的扩散，增加了下压的向量。

常规化学蚀刻机的蚀刻能力一般是线宽75微米，线距75微米，铜厚12微米，感光膜厚25微米，它追求的上限是50×50微米；向流法能蚀刻线宽线距是25×25微米，若想蚀刻25微米以下更精密的细线路，必须有其他制程的配合，例如感光技术和设备必须升级；365nm波长，i-line平行光机能制造的上限是线宽线距50×50微米。

制造细线路板时，化学蚀刻机是最重要的设备，理想的蚀刻机有两个关键问题需要解决：水池效应puddlingeffect和蚀刻深沟效应deeptrencheffect，前者造成蚀刻不均匀，后者无法蚀刻微孔和细线路。

水池效应：蚀刻大面积细线路板400mm×500mm，中央部分的蚀刻率较两侧部分慢，被业界普遍接受的说法是，蚀刻过的药水从板中央排移至边上的距离较远，在板上停留的时间较久，形成中央部分积水，而靠近板边上蚀刻过的药水能很快排除，因此蚀刻率较快，致使整个板面蚀刻不均，若使用锥形喷嘴和轮片式传动轴，则水池效应更为严重。

蚀刻深沟效应：蚀刻液从喷头射出，以高速冲击目标线路板，是由密集的粒子组成，常用粒径300-400微米，当粒径大于微孔直径时，药水就无法深入；因为药水在微孔和细线路上施加的是静压，会被反作用静压抵消，压力增大，反作用力也越大；线距有长宽两个方向，决定和影响蚀刻的是宽度，蚀刻喷液的粒径300-400微米虽然大于线宽，但小于线长，所以药水还是可以进入细线路中，但无法深入。

技术实现要素：

本发明提供一种基于向量乱流法的化学蚀刻装置及方法，简称向流法；通过导流板控制蚀刻液产生乱流包括涡流、空泡、和动能微流体，并因导流板的作用使得流体在一定区域内增速，改变方向，因而使得水平方向的流液变成向量流液；向下的压力有助于蚀刻微孔和细线路，空泡的产生必须在流体中产生局部压力差，导流板钛墙下空栅区c/d区的设计将产生空泡，利用空泡破灭产生的冲击波使得蚀刻液深入微孔及细线路中进行蚀刻；向流法结构简单，无需昂贵的材料和繁复工艺，所以制造成本低，能解决现有技术中对微孔及细线路蚀刻工艺过于复杂的技术问题，达到了无需复杂工艺即可对微孔及细线路中的金属进行蚀刻的技术效果。

这种基于向流法的蚀刻装置，其特征在于，所述基于向流法的蚀刻装置包括：蚀刻液喷嘴、喷管、导流板及目标线路板；所述蚀刻液喷嘴安装于所述喷管下方，所述导流板安装于蚀刻机上方，所述目标线路板通过向量蚀刻区时是由上下传动轴控制其前进速度，其中所述蚀刻液喷嘴用于固定释放预设流量和预设粒径的蚀刻液。

所述的基于向流法的蚀刻装置，其特征在于，所述导流板包括导流板第一部分、导流板第二部分、导流板第三部分及导流板第四部分；其中：

所述导流板第一部分，用于包裹所述喷管的上半部分；

所述导流板第二部分a区，是以45度连接所述导流板第一部分及所述导流板第三部分，并控制蚀刻液产生方向性乱流，和移动中目标线路板成45度向量，所述45度向量可分析成水平和向下两个分向量，水平分向量将使蚀刻液向前流动，向下分向量则对乱流施以向下的压力，有助于乱流进入微孔和细线路；

所述导流板第三部分b区与所述目标线路板平行1.5~2公分距离，因容积减小，蚀刻液流速因而增加并产生乱流；

所述导流板第四部分即钛墙与所述导流板第三部分垂直接合c/d/e区，蚀刻液的上半部分在此受到阻挡产生空泡和乱流，并以预设的角度向一侧排放，所述角度决定于喷嘴与喷管设置的角度，实例中为25度；蚀刻液的下半部分通过钛墙下方的空栅d区进入e区，通过旋转中传动轴底部时受到强大的压力，促使乱流进入微孔和细线路进行蚀刻。

所述的基于向流法的蚀刻装置，其特征在于，目标线路板面上左右都有一个传动轴，目标线路板下面则有2-4个传动轴以承载行进中目标线路板的重量和蚀刻液压力，实例中使用三个轴；上面两个轴除了辅助传动和稳定前进中的目标线路板外，它重要的功能是产生乱流和增加下压向量。

所述的基于向流法的蚀刻装置，其特征在于，所述蚀刻液喷嘴，用于喷出扇形蚀刻液，并控制蚀刻液以预设角度冲击目标线路板；每一支喷嘴覆盖的扇形范围决定于喷嘴至目标线路板之间距离，喷液宽度1-5公分和扇形角度90-110度，每一个1.25米×1.25米蚀刻机可安置2-3个向量蚀刻单元。

所述的基于向流法的蚀刻装置，其特征在于，以所述喷管为中线，导流板分左右两个对称的蚀刻区，每个区的导流板分第一至第四部分。

所述的基于向流法的蚀刻装置，其特征在于，所述喷嘴为扇形喷嘴，以所述扇形喷嘴的中心为基点，扇形喷液分左右两个半扇形，实例扇形喷液的全幅度为110度，由左右两个55度半扇形组成；左半扇形喷液流向左侧蚀刻区导流板，并以喷嘴预设角度前进，右半扇形喷液则以反方向流向右侧蚀刻区导流板，并以喷嘴预设角度前进。

所述的基于向流法的蚀刻装置，其特征在于，未被携带至轴底部的蚀刻液因流动被传动轴阻挡而产生乱流，并向一侧以预设之角度流动，所述预设角度即扇形喷嘴在喷管上设定之角度10-45度，实例为25度。

所述的基于向流法的蚀刻装置，其特征在于，所述喷嘴为扇形喷嘴，所述扇形喷嘴有两个预设角度：第一个是90-110垂直角度，喷嘴由上向下行进中的目标线路板喷液，实例为110度；第二个是10-45水平角度，即喷嘴和喷管间的交角，实例为25度，喷液冲击行进中的目标线路板后，变成水平方向并以和传动轴25度交角前进。

附图说明

图1、向流法化学蚀刻机的设计结构剖面示意图；

图2、c、d、e蚀刻区局部放大剖面示意图；

图3、扇形喷头在喷管上安放的角度俯视示意图；

图4、扇形喷头的110度喷角侧视示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提出一种基于向流法的化学蚀刻装置。

参照图1：为本发明基于向流法的蚀刻装置的结构示意图，在本发明实施例中所述基于向流法的蚀刻装置包括：蚀刻液喷嘴、导流板；所述导流板中央部分安装于喷管的上方，所述蚀刻液喷嘴安装于喷管下方，并与喷管成10-45角度，其中：

具体地，所述蚀刻液喷嘴，用于喷出110度扇形蚀刻液，冲击目标线路板后，成为水平方向的流液；流液前进方向和喷管、传动轴成预设的10-45角度，在实例中是采用25角度。

需要说明的是，由于现有的蚀刻液喷嘴大都采用锥形喷液设计，冲击目标线路板后，没有方向性排放，积水只是向四周扩散，尤其是目标线路板的中央部分离侧边的距离远，易造成水池效应，同时目标线路板左右侧边所接受的蚀刻液流量较中央多，因蚀刻率和流量成正比，所以蚀刻大面积目标线路板时会造成蚀刻不均的问题。

本发明使用扇形喷头，扇形喷液冲击目标线路板后，成为水平流液，并以预设的角度，实例中使用25度，向传动轴方向前进，而不是向四周扩散；一支喷管上若安装5-9个扇形喷头，和喷管间都设定25度交角，实例中喷液幅度110度在目标线路板上成为水平流液后，将分为两支反方向的流液；扇形喷液具有方向性，以它的中心为基准，可分为左右两个55度半扇形喷液；左半部喷向左侧导流板蚀刻区，并在目标线路板上以25度向上方前进，它的右半扇形喷液则以25度向下方前进；两个半扇形喷液的流向相反而又对称，形成一左一右及一上一下的模式，这使得目标线路板上的每一点都接受到等量的蚀刻液，所以不但没有水池效应也不会有蚀刻不均的问题；扇形喷嘴的应用在向流法上能产生更好的向量控制和产生大量的乱流，这也解决了常规化学蚀刻机必须使用喷嘴及喷管摇摆，或真空吸取积液來解决水池效应和蚀刻不均的问题。

本发明用以蚀刻精密图案，及细线路硬性印刷电路板；在蚀刻柔性线路板时，先将板安置于硬质轻薄导引板上，再送入向流法蚀刻机中，导引板的材质可选自各种塑胶材料；本发明能蚀刻的金属包括铜，镍，铝和不锈钢等，产品包括光学零组件、蒸度罩、精密线路板、导线架、连接器、柔性芯片板cof等。

向流法的蚀刻率比常规化学蚀刻机快2-3倍，比半加成法制程sap和msap简单有效，而且成本是半加成法sap的三分之一，因为半加成法必须先植种子铜，再加电镀和除去种子铜等繁复步骤；半成法最大的缺点是无法蚀刻微孔，因此不能制作双层和多层柔性板等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。