馮春皓（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

等離子去鉆污參數(shù)對(duì)PCB去鉆污量的影響

馮春皓
（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

對(duì)等離子去鉆污參數(shù)進(jìn)行工藝研究，通過實(shí)驗(yàn)評(píng)估了加工電極功率和加工時(shí)間對(duì)PCB單位面積去鉆污量的影響，并研究了在一定厚徑比（9.4：1）下，不同參數(shù)對(duì)去鉆污量的影響。將電極功率和加工時(shí)間與PCB去鉆污量進(jìn)行了線性關(guān)系擬合，得到函數(shù)關(guān)系方程。最后進(jìn)行了切片分析，驗(yàn)證了函數(shù)方程的應(yīng)用范圍。

等離子體；去鉆污量；電極功率

等離子體是由于原子中激化的電子和分子無序運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，所以具有相當(dāng)高的能量，其對(duì)于任何有機(jī)材料都具有很好的蝕刻作用，隨著PCB向著高密度，多元化發(fā)展，等離子體（plasma）工藝在PCB的制造中起到越來越重要的作用。

等離子工藝的最大技術(shù)特點(diǎn)是：它不分處理對(duì)象，可處理不同的基材，無論是金屬、半導(dǎo)體、氧化物還是高分子材料（如聚丙烯、聚氯乙烯、據(jù)四氟乙烯、聚酰亞胺、聚酯、環(huán)氧樹脂等高聚物）都可用等離子體很好地處理，因此，特別適合不耐熱和不耐溶劑的基底材料。而且還可以有選擇地對(duì)材料的整體、局部或復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分加工。

本文以孔壁的平均去鉆污量為標(biāo)準(zhǔn)，通過用不同等離子體加工參數(shù)進(jìn)行板件的去鉆污實(shí)驗(yàn)研究。得出并分析了等離子去鉆污參數(shù)的變化對(duì)等離子去鉆污效果的影響規(guī)律，在以后的PCB加工過程中，可以根據(jù)板件的實(shí)際情況來選擇合適的參數(shù)。

1 等離子去鉆污原理介紹

工業(yè)上現(xiàn)在常用電容耦合、電感耦合和波耦合三種基本方法，在一定條件下來產(chǎn)生等離子體。產(chǎn)生的離子、自由基等高能量和高活性等離子體，被連續(xù)的沖撞和受電場(chǎng)作用力而加速，使其與材料表面碰撞，并破壞數(shù)微米范圍以內(nèi)的分子鍵，誘導(dǎo)削減一定厚度，生成凹凸表面，形成氣體成分的官能團(tuán)等表面的物理和化學(xué)變化，提高相應(yīng)的除污、表面活化、提高鍍銅粘結(jié)力等作用。

等離子體對(duì)PCB去鉆污處理的方式主要有以下兩種：

化學(xué)反應(yīng)：利用等離子體的活性基團(tuán)與要處理的物質(zhì)進(jìn)行一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成揮發(fā)物，進(jìn)而來達(dá)成等離子體處理。

以最常用的O2/CF4體系為例：

首先O2和CF4在高頻電場(chǎng)中分解出加速的原子與分子，在加速的同時(shí)發(fā)生碰撞，激發(fā)出電子，進(jìn)而生成活性自由基，形成等離子體。反應(yīng)式如式（1）～式（3）。

然后，生成的等離子體與板件的基材（或其他材料等）進(jìn)行反應(yīng)，生成各種易揮發(fā)氣態(tài)物質(zhì)。

其中，還有一個(gè)非常重要的副反應(yīng)：

反應(yīng)式1生成的HF氣體在設(shè)備艙體內(nèi)，會(huì)進(jìn)一步與PCB基材內(nèi)的玻纖進(jìn)行反應(yīng)，表現(xiàn)出等離子體在咬蝕基材的反應(yīng)進(jìn)行到一定程度后，，會(huì)相應(yīng)的咬蝕掉部分突出的玻纖。這樣就保證了PCB基材的樹脂和玻纖能夠均勻地去除掉，防止出現(xiàn)玻纖突出現(xiàn)象。

物理反應(yīng)：利用正離子撞擊分子表面的方式，使需要處理的物質(zhì)。脫離PCB而達(dá)成處理的目的。原理如圖1（Ar可以更換為其他惰性氣體，如N2等）。

圖1 氬離子轟擊基材表面，除掉多余物質(zhì)

物理反應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：被清潔表面不留氧化物，被清洗物的化學(xué)純凈性，腐蝕作用各向異性，使表面在分子級(jí)范圍內(nèi)變得更加“粗糙”提升粘結(jié)特性。

物理反應(yīng)缺點(diǎn)：對(duì)表面有很大的損害，會(huì)產(chǎn)生大的熱效應(yīng)，被清洗表面的各種不同物質(zhì)選擇性差，腐蝕速度較低。

化學(xué)反應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：清洗速度較高、選擇性好、對(duì)清除有機(jī)污染物比較有效。

化學(xué)反應(yīng)缺點(diǎn): 在表面產(chǎn)生氧化物。和物理反應(yīng)相比較，化學(xué)反應(yīng)的缺點(diǎn)不易克服。

根據(jù)其加工的優(yōu)缺點(diǎn)，決定了等離子體在各個(gè)流程加工的目的不同。

無論是化學(xué)反應(yīng)還是物理反應(yīng)，其加工參數(shù)都會(huì)對(duì)去鉆污效果有著一定的影響。本文以等離子體化學(xué)反應(yīng)去鉆污為例，研究了各個(gè)參數(shù)對(duì)板件鉆孔后去鉆污效果的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)和關(guān)鍵說明：

下料—棕黑化—配板—層壓—銑邊—鉆孔（按照鉆孔參數(shù)指導(dǎo)進(jìn)行加工）—銑外形（銑出試片）—等離子去鉆污（采用不同方案進(jìn)行加工）—孔化（不做垂直去鉆污）—全板電鍍—做切片觀察分析。

通過稱重法取得不同板厚和孔徑的板件孔壁平均去鉆污量。如圖2所示，在板件上鉆出厚徑比為9.4:1，孔數(shù)不同的BGA區(qū)域，并沿周圍銑槽，銑掉的試片烘干并分別稱重，然后用高溫膠帶包裹試片四邊樹脂面，再嵌回板中，做等離子去鉆污，模擬板件加工的真實(shí)情形。加工完畢后重新烘干并稱重，結(jié)合試片的孔壁總樹脂面積，可以計(jì)算試片的孔壁平均去鉆污量。（為了保證測(cè)試結(jié)果均勻準(zhǔn)確，每個(gè)試片至少重復(fù)9次，最后取平均值。）

圖2 實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)

去鉆污量為：W=W1-W2，W 1是試片在等離子加工之前的重量，W2是試片經(jīng)過等離子加工后的重量。

有效加工面積：S=p DLn，其中D為鉆孔孔徑，L為板厚，n為鉆孔數(shù)量。

則試片的單位面積去鉆污量：a=W/S。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中研究了加工時(shí)間，電極功率和去鉆污有效面積等系列數(shù)據(jù)對(duì)去鉆污效果的影響。等離子加工參數(shù)如表1。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

除了上述方案中線性變化的參數(shù)外，其他參數(shù)都按照表2進(jìn)行加工。

做完等離子去鉆污并得到數(shù)據(jù)后，將板件用銅絲重新綁在PCB板上，進(jìn)行沉銅、電鍍，然后進(jìn)行切片制作，檢查去鉆污效果。

表2 試驗(yàn)方案參數(shù)表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

對(duì)三種方案加工出的板件進(jìn)行數(shù)據(jù)收集整理：

（1）電極功率對(duì)單位面積去鉆污量的影響（表3）。

表3 電極功率對(duì)PCB單位面積去鉆污量的影響數(shù)據(jù)

隨著電極功率的變化，得到試片的單位面積去鉆污量如上表顯示。根據(jù)上表數(shù)據(jù)，我們做出單位面積去鉆污量隨電極功率的變化關(guān)系圖，然后進(jìn)行曲線擬合，得到了兩者的相關(guān)方程式。

業(yè)界去鉆污量控制在0.15 mg/cm2～ 0.6 mg/cm2，本次實(shí)驗(yàn)期望將去鉆污量控制在0.2 mg/cm2～ 0.6 mg/cm2之間，以保證加工產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。

從圖3中我們可以看出，在其他條件不變的情況下，單位面積去鉆污量隨著電極功率的變化呈指數(shù)形式的上升，不同功率下得去鉆污量都在我們業(yè)界期望的區(qū)域內(nèi)，證明提高電極功率，等離子去鉆污的效率提升，單位面積去鉆污量在期望值內(nèi)。且若板件在大部分鉆孔厚徑比9.4:1的情況下，可以根據(jù)這一公式來控制合適的電極功率，進(jìn)而控制等離子去鉆污的量。

圖3 單位面積去鉆污量與電極功率的關(guān)系

（2）加工時(shí)間對(duì)單位面積去鉆污量的影響（表4）。

隨著加工時(shí)間得變化，得到試片的單位面積去鉆污量如上表顯示。根據(jù)上表數(shù)據(jù)，我們做出單位面積去鉆污量隨加工時(shí)間的變化關(guān)系圖，然后進(jìn)行曲線擬合，得到了兩者的相關(guān)方程式。

表4 加工時(shí)間對(duì)PCB單位面積去鉆污量的影響數(shù)據(jù)

圖4 單位面積去鉆污量與加工時(shí)間的關(guān)系

從圖4中可以看出，在其他條件不變的情況下，單位面積去鉆污量隨著加工時(shí)間的變化同樣地呈指數(shù)形式的上升，但是加工時(shí)間的變化會(huì)使得PCB板單位面積的去鉆污量變化較大，當(dāng)加工時(shí)間為5 m in時(shí)，單位面積去鉆污量僅為1.778 mg/cm2，極易導(dǎo)致去鉆污不良，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)層間分離現(xiàn)象。而當(dāng)加工時(shí)間為40 m in時(shí)，單位面積去鉆污量為0.659 mg/cm2，超過了業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)0.6 mg/cm2，容易出現(xiàn)孔壁凹凸度不平，玻纖發(fā)白等缺陷。所以，若板件plasma加工時(shí)間能控制在（5～40）m in這一范圍內(nèi)，可以根據(jù) 這一公式來控制合適的加工時(shí)間，進(jìn)而控制等離子去鉆污的量。

（3）板件內(nèi)有效面積對(duì)單位面積去鉆污量的影響（表5）。

隨著板件內(nèi)有效加工面積的變化，得到試片的單位面積去鉆污量如表5顯示。根據(jù)上表數(shù)據(jù)，我們做出單位面積去鉆污量隨加工時(shí)間的變化關(guān)系圖，然后進(jìn)行曲線擬合，得到了兩者的相關(guān)方程式。

表5 有效面積對(duì)單位面積去鉆污量的關(guān)系

4 總結(jié)

圖5 有效加工面積對(duì)去鉆污量的影響

圖5是方案三的數(shù)據(jù)結(jié)果圖，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)板件單位面積去鉆污量與板內(nèi)有效加工面積呈對(duì)數(shù)關(guān)系。當(dāng)板內(nèi)有效加工面積少于200 cm2時(shí)，PCB去鉆污效果較差，去鉆污量0.2 mg/cm2，極易出現(xiàn)去鉆污不凈，導(dǎo)致后續(xù)加工出現(xiàn)層間分離現(xiàn)象。所以對(duì)PCB進(jìn)行plasma加工時(shí)，要根據(jù)板內(nèi)的有效加工面積和鉆孔厚徑比來進(jìn)行考慮，因?yàn)镻CB厚徑比對(duì)plasma去鉆污效果的影響在業(yè)界已經(jīng)反復(fù)研究過，在此不做贅述。

板件切片分析：

（1）加工功率對(duì)板件去鉆污效果的影響。

隨著加工功率的變化，板件的孔內(nèi)去鉆污效果良好，沒有出現(xiàn)層間分離等現(xiàn)象（圖6）。但是隨著電極功率的增大，孔壁的凹凸度開始變大，玻纖逐漸開始突出。分析其原因，是因?yàn)楣β始哟?，主反?yīng)（上文的反應(yīng)式1&2）速率加快，等離子體咬蝕樹脂的速度加快，但是副反應(yīng)（上文的反應(yīng)式3）較慢，即HF與玻纖（SiO2）的反應(yīng)速度無法與主反應(yīng)保持一致，導(dǎo)致玻纖蝕刻速率無法與樹脂蝕刻速率保持一致，進(jìn)而出現(xiàn)玻纖突出等現(xiàn)象

圖6 切片結(jié)果1

（2）加工時(shí)間對(duì)板件去鉆污效果的影響。

隨著加工時(shí)間的變化，板件的單位面積去鉆污量逐漸增加。如圖7所示：其中，當(dāng)加工5 m in時(shí)，板件去鉆污量不足，發(fā)生了層間分離現(xiàn)象。但是加工時(shí)間較長，去鉆污量提高的同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)玻纖發(fā)白的現(xiàn)象，在后續(xù)的加工及使用中，對(duì)PCB的可靠性會(huì)產(chǎn)生一定的影響。所以在選用等離子加工參數(shù)時(shí)，不僅要考慮到單位面積去鉆污量，還要考慮板件的可靠性與穩(wěn)定性，對(duì)于不同類型的板件選擇合適的參數(shù)。

圖7 切片結(jié)果2

（3）有效加工面積對(duì)板件去鉆污效果的影響。

隨著有效加工面積的變化，板件的單位面積去鉆污量逐漸增加。但是當(dāng)板內(nèi)孔數(shù)量或者有效加工面積較少時(shí)（〈200 cm2），去鉆污量不足20 mg，觀察切片，發(fā)生了層間分離現(xiàn)象（圖8）。分析其原因，極有可能是因?yàn)榘鍍?nèi)去鉆污有效面積過小，等離子體不能良好的通過孔內(nèi)進(jìn)行去鉆污，導(dǎo)致去鉆污量較少，發(fā)生層間分離現(xiàn)象。

圖8 切片結(jié)果3

本文通過對(duì)等離子去鉆污工藝原理分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，對(duì)等離子去鉆污參數(shù)進(jìn)行了初步的研究；通過加工時(shí)間、電極功率和有效加工面積的線性變化，得到了一系列的加工參數(shù)與單位面積去鉆污量的函數(shù)關(guān)系。在后續(xù)的等離子加工過程中，根據(jù)板件的實(shí)際情況，可以推導(dǎo)出得函數(shù)關(guān)系式來控制PCB板件單位面積去鉆污量。

［1］等離子設(shè)備加工高厚徑比產(chǎn)品工藝研究［J］. 印制電路信息， 2014，8.

［2］等離子體技術(shù)在印制電路板制造中的應(yīng)用［J］. 電子電路與貼裝， 2004，3.

馮春皓，高分子化學(xué)碩士，產(chǎn)品研發(fā)部擔(dān)任工程師，主要負(fù)責(zé)服務(wù)器產(chǎn)品及高速產(chǎn)品的開發(fā)與維護(hù)。

The effect of p lasma parameter on PCB desmear amount

FENG Chun-hao

This article has studied plasma parameter of desmear process by evaluating the influence from electrode power and plasma desmear time. And we obtained the effect of different parameters on desmear amount when the products’ Aspect ratio was 9.4:1.The electrode power and processing time and PCB desmear amount had been fitted linear relationship， then we got function relation equation. Finally we analyzed the section to verify the application range of the function equation.

Plasma； Desmear Weight； Electrode Power

TN41

A

1009-0096（2015）12-0043-05