吳振龍 付 藝 孫 威 彭建國

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0 引言

隨著5G產(chǎn)品的高性能要求，相應(yīng)地對材料和工藝也有著更高的要求，高頻高速材料的使用比例從30%上升至60%，對印制電路板（PCB）的生產(chǎn)也有了更嚴(yán)苛的要求。在PCB生產(chǎn)過程中，等離子體（Plasma）技術(shù)有著傳統(tǒng)化學(xué)除膠渣無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，在5G的高頻高速PCB生產(chǎn)中，等離子體除膠渣具有不可替代的工藝特性。等離子體是一種具有一定顏色的準(zhǔn)中性電子流，是由離子、電子、原子以及自由激進(jìn)分子組成。在真空腔體內(nèi)能量發(fā)生器輸出高頻電壓使導(dǎo)入的氣體離子化，這種環(huán)境被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。各種原子和電子被離子化、被激化，而且在高頻條件下其運(yùn)動是非常劇烈的，具有很高的能量，所以組成反應(yīng)劇烈的混合物質(zhì)對物體的表面和孔壁具有很強(qiáng)的物理化學(xué)反應(yīng)（如圖1所示）。等離子體除膠渣具有有效去除孔壁殘膠，達(dá)到清潔、活化及均勻蝕刻的效果，有利于孔壁鍍銅層的連接，增強(qiáng)結(jié)合力。

有些5G PCB產(chǎn)品具有拼板尺寸大的特點(diǎn)，PCB的單板尺寸達(dá)到685.8 mm以上，為提高等離子體除膠渣的產(chǎn)能，大腔體的等離子體機(jī)開始逐步應(yīng)用，但是大腔體設(shè)計(jì)對除膠均勻性具有一定的挑戰(zhàn)。并且目前業(yè)界對于等離子體除膠均勻性的測試方法和計(jì)算方法沒有明確的規(guī)定，不同的測試方法和計(jì)算方法得到的均勻性數(shù)據(jù)有著明顯的差別。本文通過采用不同測試片數(shù)量和排布方式針對1156 mm×1800 mm×1099 mm的大腔體等離子體機(jī)除膠均勻性測試方法及計(jì)算方式進(jìn)行研究，找出等離子蝕刻均勻性的影響因素。

圖1 等離子體除膠渣的反應(yīng)原理

1 試驗(yàn)與分析

常用的除膠均勻性測試方法有54pcs（3×18pcs）、30pcs（3×10pcs）兩種測試方法，但兩種測試方法都存在一定的弊端，對比了兩種方法的除膠情況。

1.1 測試方法：

（1）將10 cm×15 cm尺寸IT158無銅基板先做好序號標(biāo)識，然后于120 ℃烘60 min后移至干燥器冷卻30 min后稱重得M1；

（2）等離子體腔體進(jìn)行預(yù)熱后，將測試片分別嵌入廢板中懸掛；

（3）除了在Rack架上已放置測試片的層次外，其余層次的空架子用與廢板等大尺寸的鉆孔后的報(bào)廢線路板整齊裝滿，在相應(yīng)參數(shù)下進(jìn)行除膠；

（4）清洗后的測試板再于120 ℃烘60 min后移至干燥器內(nèi)冷卻30 min后稱重得M2；

（5）計(jì)算出測試前、后的質(zhì)量差，根據(jù)極差法公式計(jì)算均勻性：U%=[1-(MAX-MIN）÷（2×AVG）]%。

1.2 54 pcs樣片均勻性測試法

54 pcs樣片測試法分別在第L1、L8、L15層，如圖2所示，將測試片按照每層18 pcs（共54 pcs）排布，如圖3所示，測試結(jié)果除膠均勻性為44.33%，未能滿足除膠均勻性≥80%的要求，如表2所示。

1.3 30 pcs樣片均勻性測試法

30 pcs樣板測試法分別在第L1、L8、L15層，由每層18板改為每層10片（如圖4所示），除膠均勻性測試結(jié)果為64%，較54 pcs法有明顯提升，但仍未能滿足均勻性≥80%的要求，如表3所示。根據(jù)平均鉆孔數(shù)量71 520孔/板計(jì)算，平均孔面積約為1684 cm2，采用18片單層的測試片總面積約為2700 cm2，遠(yuǎn)大于1片板的有效除膠面積；10片單層測試片總面積為1500 cm2，與1片板平均孔面積更為接近，說明采用10片/層的測試方式更接近實(shí)際情況。在相同的除膠參數(shù)下，測試片面積越大意味著單位面積的等離子氣體量也相對降低，除膠量也有所降低，所以單層的測試片數(shù)量過多會導(dǎo)致測試結(jié)果與實(shí)際情況不匹配。

2 等離子體除膠均勻性的影響因素

2.1 進(jìn)氣管氣孔分布對均勻性的影響

表1 均勻性測試參數(shù)設(shè)置

圖2 等離子體板架層數(shù)分布示意圖

圖3 54 pcs法測試片排布示意圖

表2 54 pcs樣片法除膠均勻性測試結(jié)果

圖4 30 pcs法排布示意圖

為了驗(yàn)證3×10 pcs測試方法的除膠均勻性效果，經(jīng)多次反復(fù)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)每次的測試數(shù)據(jù)結(jié)果的波動較大，由于測試過程中誤差是難以避免，測試量越少，則誤差對整體的影響也就越大，通過增加整體測試片數(shù)量，將測試方法由3×10 pcs更改為5×10 pcs，即L1、L4、L8、L11、L14這5層分別排布10 pcs測試片，這種排布方式分布的層次較54 pcs法和30 pcs法更多，更接近生產(chǎn)板在等離子體除膠的實(shí)際狀態(tài)。再次反復(fù)測試50 pcs法結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用50 pcs法測試結(jié)果整體波動較30 pcs法小，同時(shí)，在使用54 pcs、30 pcs和50 pcs法出現(xiàn)的第L8層后門真空泵抽氣口周邊區(qū)域除膠量偏低，而在前門下方區(qū)域的除膠量明顯較高的現(xiàn)象。

表3 30 pcs樣板法除膠均勻性測試結(jié)果

圖5 等離子體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合等離子體機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，真空泵抽氣口位置正好處于L8層位置（L6-L10層前門進(jìn)氣管氣孔數(shù)少，后門進(jìn)氣管氣孔數(shù)多），從而導(dǎo)致在抽氣口附近區(qū)域局部氣體流動較快，即工藝氣體在此區(qū)域剛形成等離子體就被真空泵抽出，導(dǎo)致局部區(qū)域的等離子體濃度相對較低，導(dǎo)致除膠效果相對降低。此外，靠近前門區(qū)域除膠量較中間及后門區(qū)域大的原因也水落石出，這是由于抽氣口由近及遠(yuǎn)，越靠近抽氣口的區(qū)域氣體的速率也就越快，靠近前門的交換速率相對較慢，等離子體與孔壁內(nèi)的膠渣有充分的作用時(shí)間，能夠有效地達(dá)到除膠的效果。由于設(shè)備抽氣口位置相對固定，要改變局部的除膠量就必須改變該區(qū)域的等離子體濃度，所以需調(diào)整氣管進(jìn)氣孔排布，在靠近后門的進(jìn)氣管通過增加第L6～L10層靠近真空泵抽氣口位置的氣孔數(shù)量，前門區(qū)域減少進(jìn)氣管進(jìn)氣孔數(shù)量（見圖5），從而達(dá)到調(diào)整各區(qū)域等離子體濃度，提高除膠均勻性的效果，如表4所示。

表4 50 pcs樣板法除膠均勻性測試結(jié)果（調(diào)整進(jìn)氣孔之后）

2.2 均勻性計(jì)算方法對均勻性的影響

根據(jù)目前業(yè)界同行的做法，除了采用極差法，還常使用標(biāo)準(zhǔn)偏差法進(jìn)行計(jì)算，本文針對54 pcs樣板法、30 pcs樣板法以及50 pcs樣板法三種測試方法的測試結(jié)果分別采用兩種不同的公式進(jìn)行計(jì)算，如式（1）、式（2），結(jié)果可以明顯看出，如表5所示，相同的測試數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)偏差法計(jì)算結(jié)果較極差法大，說明采用標(biāo)準(zhǔn)偏差法更容易滿足除膠均勻性≥80%的要求，同時(shí)代表采用極差法計(jì)算對于測試的均勻性要求更加嚴(yán)格。

極差法：

標(biāo)準(zhǔn)偏差法：

表5 不同測試和計(jì)算方法的均勻性測試結(jié)果

不得不提出的是在使用極差法計(jì)算時(shí)需要保證測試結(jié)果的真實(shí)性和數(shù)據(jù)的有效性，如果在測試過程中出現(xiàn)異常點(diǎn)則存在導(dǎo)致極差失真，那么測試結(jié)果就無法代表真實(shí)的除膠均勻性。所以在實(shí)際測試過程有效地避免方式如下。

（1）去掉最大值和最小值，以規(guī)避異常點(diǎn)帶來的影響；

（2）做平行測試，通常需要做3組，但因?qū)嶋H生產(chǎn)中測試次數(shù)增多會影響產(chǎn)能。

3 結(jié)論

（1）本文測試結(jié)果表明，測試片數(shù)量越多，測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性越高，即數(shù)據(jù)的可靠性越高，但測試板數(shù)量應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)板平均孔面積計(jì)算測試板數(shù)量而定；

（2）由極差法與標(biāo)準(zhǔn)偏差法兩種計(jì)算方法對比可知極差法計(jì)算公式對于除膠均勻性的測試結(jié)果要求更高，并且更符合實(shí)際除膠均勻性情況；

（3）等離子體進(jìn)氣管的氣孔排布對均勻性有明顯影響，需結(jié)合設(shè)備自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮腔體內(nèi)氣體分布。

4 致謝

感謝付藝經(jīng)理、王文維等人的悉心指導(dǎo)，以及孫威高管、彭建國資工、黃超斌等在本論文探討和撰寫過程中的支持和幫助，在此表示衷心的感謝！