曹建誠(chéng) 胡宗敏

（蘇州維信電子有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 前言

撓性電路板（FPCB）具有輕、薄、可彎曲等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為越來(lái)越多電子產(chǎn)品的首選。近年來(lái)隨著智能電子終端的發(fā)展，F(xiàn)PCB行業(yè)的需求不斷增加。

目前FPCB制程中裸露的銅焊盤(pán)和印制插頭位置都必須經(jīng)過(guò)表面處理來(lái)保護(hù)其不被氧化，其中化學(xué)鍍鎳金（ENIG）是最常用的工藝之一。ENIG是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在銅的表面置換鈀，再在鈀核的基礎(chǔ)上化學(xué)鍍上一層鎳合金層，然后再通過(guò)置換反應(yīng)在鎳的表面鍍上一層金?；冩嚱饘釉诤附印⑸?、接觸導(dǎo)通、平整性等方面具有優(yōu)異的表現(xiàn)，但鍍金層在長(zhǎng)期吸水受潮后，尤其是鹽霧測(cè)試環(huán)境下，會(huì)發(fā)生氧化變色等問(wèn)題，使其防護(hù)性能嚴(yán)重降低，因此希望有一種防護(hù)涂層起到防護(hù)。

薄膜制備工藝在超大規(guī)模集成電路技術(shù)中有著非常廣泛的應(yīng)用，其成膜方法可分為兩大類：物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）。等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積（PECVD）作為化學(xué)氣相淀積的一種，主要是利用微波或射頻使得汽化的薄膜單體形成等離子體，經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，最終在樣品表面形成一層納米級(jí)聚合物保護(hù)膜，起到防護(hù)作用。

因此，將PECVD技術(shù)用于FPCB，能夠成為一種金面防護(hù)的有效解決辦法。本文驗(yàn)證這一方案的可行性。

1 測(cè)試樣品制作及測(cè)試方法

1.1 測(cè)試樣品制作

首先選用雙面FCCL（撓性覆銅板）作為基材，銅箔為壓延銅箔，在一面銅面上通過(guò)印刷油墨，再曝光顯影后，得到銅連接盤(pán)，再通過(guò)ENIG得到待測(cè)樣品。最后通過(guò)PECVD（化學(xué)鎳與浸金工藝）方式在金面上沉積一層納米聚合物薄膜，得到PECVD測(cè)試樣品,測(cè)試樣品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。我們選用了A、B兩種不同的PECVD方案進(jìn)行測(cè)試評(píng)估,A方案是通過(guò)PECVD的方式沉積得到一層雜化疏水薄膜，B方案是一層更為致密的疏水薄膜。

圖1 PECVD后測(cè)試樣品結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 金面PECVD鍍膜測(cè)試

1.2.1 形貌測(cè)試

通過(guò)3D顯微鏡及掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)金面PECVD鍍膜的形貌進(jìn)行拍攝。

1.2.2 厚度及成分測(cè)試

通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）及EDS（電子擴(kuò)散X射線能譜儀）元素分析對(duì)金面PECVD鍍膜的厚度及元素類別進(jìn)行測(cè)試。由于聚合物薄膜本身厚度較薄，且在樣品最外側(cè)，因此測(cè)試樣品厚度時(shí)需在樣品PECVD鍍膜上沉積一層鉑金層，確保測(cè)試時(shí)不受干擾；再用離子拋光儀（IM）從樣品橫截面方向進(jìn)行拋光打磨，得到平整的橫截面，最后用SEM進(jìn)行拍攝測(cè)試。

1.2.3 耐熱性測(cè)試

通過(guò)熱重分析儀（TGA）及再流焊對(duì)PECVD鍍膜的耐熱性進(jìn)行測(cè)試。其中再流焊測(cè)試時(shí)長(zhǎng)約360 s，其中高溫段為235～240 ℃，持續(xù)時(shí)間15～25 s。通過(guò)SEM對(duì)再流焊前后PECVD鍍膜形貌變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.2.4 耐鹽霧測(cè)試

將PECVD鍍膜前后的測(cè)試樣品置于鹽霧試驗(yàn)箱中,監(jiān)測(cè)不同時(shí)段樣品的失效情況及金面的形貌變化，以此評(píng)估耐鹽霧性能。選用中性鹽霧進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為：氯化鈉溶液濃度（5±0.5）%，pH=6.5～7.2，溫度（35±2）℃，濕度>95%，鹽霧噴霧速度1～2 mL/80 cm2/h，測(cè)試結(jié)束后，去離子水洗，干燥條件55 ℃、1 h。

1.2.5 可焊性測(cè)試

將錫膏置于測(cè)試樣品表面，加熱到240 ℃，觀察錫膏在PECVD鍍膜前后金面上的形態(tài)，評(píng)估其可焊性。

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 金面PECVD鍍膜表面形貌

圖2為3D顯微鏡照片所示，PECVD鍍膜為透明薄膜，PECVD前后照片金面形貌基本無(wú)差異，B方案PECVD后金面相比于A方案偏黃一些。圖3為SEM照片，可以看出A、B兩種方案均在金面形成一層致密的聚合物薄膜，A方案薄膜相比于B方案薄膜的光學(xué)透過(guò)性要好一些。

圖2 PECVD金面3D顯微鏡照片

圖3 PECVD金面形貌SEM 5000倍照片

2.2 金面PECVD鍍膜厚度及成分

圖4為SEM照片，可以看到PECVD鍍膜后在金層上方形成一層厚度較為均一的納米聚合物薄膜。A、B方案鍍膜厚度不同，A方案薄膜厚度約為107 nm，B方案薄膜厚度約為210 nm。

圖4 PECVD后樣品橫截面SEM照片

從圖5中可以看到，PECVD鍍膜的主要成分是C、O、F三種元素，B方案鍍膜中F元素在三種元素中的占比最多。

圖5 PECVD鍍膜元素及含量百分比

2.3 金面PECVD鍍膜耐熱性測(cè)試

從圖6的PECVD鍍膜TGA曲線可以看到，100 ℃時(shí)會(huì)發(fā)生失重，主要為聚合物薄膜表面吸附的水分子以及氣化的小分子有機(jī)物；從300 ℃到377 ℃薄膜開(kāi)始逐步少量分解；從377 ℃到490 ℃薄膜明顯失重，共失重93.7%；說(shuō)明PECVD聚合物薄膜在300 ℃以下具有良好的熱穩(wěn)定性，從377 ℃起才明顯受溫度的影響而分解。

圖6 PECVD鍍膜TGA曲線

從PECVD鍍膜再流焊測(cè)試前后表面形貌SEM照片看出均沒(méi)有發(fā)生任何變化，證明鍍膜具有較好的耐熱性，可以通過(guò)再流焊測(cè)試。

2.4 金面PECVD鍍膜前后鹽霧測(cè)試

從圖7可知，未PECVD鍍膜的樣品，鹽霧測(cè)試8 h后，有1/3測(cè)試樣品金面出現(xiàn)失效情況，鹽霧測(cè)試32 h后，測(cè)試樣品全部出現(xiàn)失效情況。經(jīng)過(guò)A、B方案PECVD鍍膜后，金面的耐鹽霧性能均有所提升，A方案PECVD鍍膜后測(cè)試樣品，鹽霧測(cè)試24 h時(shí)出現(xiàn)失效樣品；B方案PECVD鍍膜后測(cè)試樣品，鹽霧測(cè)試32 h時(shí)出現(xiàn)失效樣品。

圖7 PECVD前后測(cè)試樣品不同條件鹽霧測(cè)試后金面失效比例F為失效樣品數(shù)量，T為測(cè)試樣品總數(shù)量

未PECVD處理的原始金面鹽霧測(cè)試后金面失效模式如圖8（b）所示，金層出現(xiàn)脫層掉落現(xiàn)象，鎳層裸露，同時(shí)裸露的鎳層被氧化形成氧化鎳，且出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。金面在鹽霧環(huán)境中的腐蝕機(jī)理主要是存在一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)，由于金面直接覆蓋在鎳層上，金與鎳間存在電位差，鹽霧測(cè)試時(shí)有NaCl溶液作為電解質(zhì)，金和鎳之間會(huì)形成一個(gè)局部微電池。同時(shí)由于金層厚度較薄，表面有空隙和裂紋存在，為鹽霧腐蝕提供微電池場(chǎng)所，透過(guò)空隙及裂紋，鎳層發(fā)生較為強(qiáng)烈的電化學(xué)腐蝕，被嚴(yán)重氧化腐蝕，所以鹽霧測(cè)試后會(huì)出現(xiàn)金層起泡、脫落等現(xiàn)象。

圖8 金面鹽霧測(cè)試前后SEM照片

隨著鹽霧測(cè)試時(shí)間增加，金面會(huì)出現(xiàn)大量氧化鎳顆粒，且金面形貌會(huì)發(fā)生變化，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀形貌；最后片狀氧化鎳層會(huì)逐漸翹起脫落。周而復(fù)始，最終金面下鎳層被嚴(yán)重氧化腐蝕，從而導(dǎo)致金面出現(xiàn)起泡脫層現(xiàn)象。

A方案PECVD鍍膜后，金面的耐鹽霧性能有明顯改善。鹽霧測(cè)試8h后，金面上的薄膜開(kāi)始慢慢脫落，脫落面積大約50%，但金面未出現(xiàn)失效情況；鹽霧測(cè)試24 h后，薄膜幾乎完全脫落。

B方案PECVD鍍膜后，金面的耐鹽霧性能進(jìn)一步提升，可能是由于B方案PECVD薄膜相對(duì)較厚的原因。鍍膜后金面在鹽霧測(cè)試過(guò)程中的形貌變化如圖9所示，鹽霧測(cè)試8h后，金面上的薄膜開(kāi)始慢慢脫落，但脫落面積只有10%，金面未出現(xiàn)失效情況；鹽霧測(cè)試24 h后，薄膜上出現(xiàn)片狀氧化鎳，聚合物薄膜脫落面積達(dá)到80%，但金面仍未出現(xiàn)脫落失效情況。

圖9 B方案PECVD后金面不同鹽霧測(cè)試時(shí)間后SEM照片

經(jīng)過(guò)PECVD鍍膜后，金面的耐鹽霧性能得到提升，證明PECVD鍍膜能夠?qū)aCl溶液起到一定的阻隔作用，延緩鎳金層的電化學(xué)腐蝕，但由于聚合物薄膜厚度為納米級(jí)別，隨著鹽霧測(cè)試時(shí)間增加聚合物薄膜會(huì)逐漸脫落，對(duì)電化學(xué)腐蝕的防護(hù)作用降低，最終導(dǎo)致金面脫落失效。

2.5 金面PECVD鍍膜后可焊性測(cè)試

錫膏加熱后在原始金面可以較好地潤(rùn)濕展開(kāi)，但金面在PECVD鍍膜后，金面出現(xiàn)不潤(rùn)濕問(wèn)題，錫膏在金面上成球狀，無(wú)法展開(kāi)。證明PECVD鍍膜后，由于聚合物薄膜的存在金面無(wú)法進(jìn)行元器件焊接，所以此PECVD鍍膜只能在元器件SMT（表面安裝技術(shù)）裝配之后進(jìn)行，或者應(yīng)用于無(wú)元器件裝配需求的FPCB產(chǎn)品中。

3 結(jié)論

等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積（PECVD）作為一種成熟的薄膜制備工藝，為FPCB防護(hù)提供了一種新的思路，通過(guò)在FPCB表面沉積一層納米防護(hù)薄膜，在不影響FPCB輕薄等特性的同時(shí)，能夠有效地改善FPCB表面裸露金面的耐鹽霧性，從而滿足FPCB產(chǎn)品的耐腐蝕需求，但由于對(duì)金面焊接有一定影響，此方法具有一定的應(yīng)用局限性。