劉海龍 曹宏偉

（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

0 前言

隨著5G應用的快速普及，實現在高頻高速下高效高容量的數據低損耗傳輸已日益迫切，要求印制電路板（PCB）的基材及PCB加工需具有更高效的信號傳輸完整性和更優(yōu)秀的高可靠性。在目前階段主流的設計方案中，依然是超低損耗板材搭配低粗糙度的銅箔及低粗糙度的電鍍藥水，以實現PCB信號傳輸低損耗的要求，超低損耗板材的加工性是PCB行業(yè)重點關注的對象。

本文將基于一款新型的Df（介質損耗因子）值為0.0013（@10 GHz）超低損耗板材在PCB加工認證開發(fā)階段出現的內層連接缺陷（ICD）問題，對加工過程中關鍵制程參數進行的優(yōu)化、驗證改善。ICD缺陷發(fā)生存在識別滯后且有難度，必須完成鍍銅后通過切片逐一觀察判別，所以ICD問題在認證階段必須得到徹底解決，否則就容易造成后續(xù)的批量性報廢風險。本文主要從鉆孔、等離子參數及流程設計方面通過缺陷現象、形成機理和實驗驗證結果的分析，最終找到了這款材料改善ICD的最佳參數，改善后經分析孔內質量在芯吸、孔粗等方面也實現了最優(yōu)化，滿足可批量化生產的需求。

1 ICD缺陷現象及機理分析

1.1 異?，F象

PCB加工中鍍銅完成時0.2 mm小孔切片觀察存在內層銅與孔銅未連接缺陷，從切片看缺陷主要發(fā)生在孔中間位置，嚴重者孔銅與內層銅完全隔離，距約7 μm，有些是從內層銅的一側分離，即孔銅與內層銅未完全連接，中間有層間夾雜物寬度2 μm～6 μm，內層銅有明顯的內縮異常現象。從平磨試片觀察，有不同角度的未連接不良，嚴重的出現角度70°以上，如圖1所示。

圖1 層間分離（ICD）異常

1.2 機理分析

通過缺陷現象及流程排查，圖2是金屬化孔加工流程圖，其中鉆孔和等離子是缺陷形成的兩個關鍵加工制程。

圖2 金屬化孔加工流程圖

影響鉆污產生的因素有鉆頭直徑、轉速、進刀速、蓋板、吸塵負壓等，如在鉆孔過程中形成的鉆污粉屑黏附孔壁較厚，到后制程等離子處理的壓力就會增大。

影響等離子去鉆污的因素有設備的電極功率、氣體流量及配比、板件溫度等。在整個等離子的加工過程即發(fā)生著物理反應，通過離子轟擊材料表面產生濺射效果，又發(fā)生著化學反應，即利用強電場的電離作用，將CF4和O2的混合氣體，通過電場射頻功率電離形成第四態(tài)的等離子體，利用等離子體的物理轟擊和化學反應將樹脂殘留物轉化為具有揮發(fā)性的有機氟化物，從而達到去除鉆污的目的。如圖3所示為等離子體去鉆污化學反應機理。

圖3 等離子體去鉆污反應機理

1.3 鉆孔的影響分析

通過分別取鉆孔清洗后及去鉆污后切片，對孔內做孔壁電鏡掃描觀察，其中在鉆孔清洗后的試樣可以看到內層截面銅上有大量樹脂粉膠[如圖4（a）所示]，經過等離子去鉆污和一次化學去鉆污處理后，可以看到內層銅的鉆污有被清除掉[如圖4（b）所示]，但內層銅表層形貌存在大量的凹坑及殘留有球型顆粒SiO2（夾雜物），說明內層銅在鉆孔時受到擠壓，樹脂中較硬的填料被壓到內銅內。

圖4 鉆孔清洗后及去鉆污后切片

球型顆粒物測得主要是Si和O元素（如圖5所示），說明這是樹脂內SiO2填充劑，通過這一現象可以推斷孔壁內層銅面上的球型填充劑和凹坑是在鉆孔過程中鉆屑粉膠（鉆污）黏附在內層銅上，樹脂粉膠（鉆污）未及時排出，在高速、高熱量及壓力狀態(tài)下，樹脂屑中的SiO2被擠壓到內層銅上而形成，凹坑是球型填充劑被清除后的效果。對上述的現象分析，可以得出：最大限度地降低鉆孔時鉆屑被擠壓到內層銅上的概率是改善的重點。所以鉆孔的進刀速、轉速的匹配合理性以及磨損（壽命）需要重新測試定義，另外鉆孔的預鉆、分步鉆等對降低鉆污有正向作用的措施需要應用。

圖5 球型物元素分析

1.4 等離子除膠的影響分析

通過對ICD缺陷現象觀察，發(fā)生概率最高的是孔中間位置，結合等離子的去鉆污機理、等離子設備及板件高厚徑比的特點，有兩個方面可能導致這種情況出現，第一是材料樹脂特性本身在等離子去鉆污時比較難去除；第二則是說明等離子去鉆污的孔中滲透咬蝕能力太弱，導致孔中間鉆屑無法清除干凈；

通過測量不同材料的除膠量，對比結果發(fā)現這款材料A在類似等級的材料中，相同等離子處理條件下，除膠量僅僅是其他材料的約50%（如圖6所示）。說明此款材料除膠比較困難，在等離子去鉆污時需要延長處理時間。另外等離子體對孔內咬蝕能力差的問題，與等離子去鉆污的等離子參數、裝板方式（腔體負載）、設備等有關聯(lián)，本文將驗證兩組參數設置優(yōu)化以對比驗證孔中咬蝕的結果。

圖6 不同材料的除膠量對比

總結：結合缺陷現象、機理分析及鉆孔和去鉆污的影響分析，下文將通過交叉驗證找到降低鉆污的最優(yōu)鉆孔參數，并對比等離子參數優(yōu)化、優(yōu)化參數配比以提高孔壁除膠量及均勻性。

2 驗證方案及結果

2.1 試驗儀器

電鏡（SEM）、鉆頭磨損測量儀、切片研磨機等

2.2 驗證板信息

驗證板結構為：板厚5.1 mm，最小孔0.2 mm，厚徑比25.5:1。

2.3 驗證因子及分析

2.3.1 鉆孔的關鍵影響因子及流程設計

由于前面已驗證過鉆孔的進刀速提高至2.4 m/min，進刀量提高至25 μm/rev時，或者轉速提高至160 kprm時，有斷針和爆孔的異常,且都會出現在孔口位置粉屑較為嚴重，已證實鉆孔轉速太快或進刀量過高時因排出進程長且產生的粉屑不能及時排出，對孔造成擠壓，并伴有嚴重的鉆頭崩角、爆孔甚至斷裂情況，孔口粉屑情況如圖7所示。

圖7 材料A-孔口粉屑圖

本次驗證過程使用T1雙刃單槽結構開背槽和T2不開背槽兩種設計的鉆頭，將進刀速、轉速和壽命四因子設計2個水平進行驗證，見表1所示。驗證板流程：鉆孔→鉆孔清洗→切片→SEM，完成后切片使用電鏡掃描觀察孔壁，并對鉆頭磨損確認。

表1 鉆孔參數四因子量水平設計表

2.3.2 鉆孔的關鍵影響因子結果分析

收集四因子組合鉆污量的數據，并通過minitab對影響因子主效應分析，從圖8所示可以看出其中轉速最顯著，鉆頭壽命、進刀速次之，鉆頭類型影響不顯著。

圖8 四因子主效應分析圖

驗證小結：可以得出（1）粉屑形成看：T1、T2鉆頭類型在孔口、孔中形成的粉屑判斷無明顯差異；（2）磨損程度看兩種鉆頭壽命為300孔及500孔鉆頭刃面整體磨損都不大，差異不明顯；（3）T1鉆頭孔槽內有明顯粉屑填滿，T2鉆頭則較輕微，另外T1鉆頭在300孔時溝槽內無膠狀粉屑，500孔壽命后溝槽內的粉屑加劇呈膠體狀。

可以得出（1）較快的鉆孔轉速容易在孔壁上黏附粉屑，而較慢的轉速會明顯改善；（2）較快的轉速相比孔中，孔口形成粉屑更明顯，但整體黏膠都嚴重；（3）較慢的轉速在孔口及孔中粉屑都輕微。

可以判斷粉屑會在鉆孔溫度的變化下產生粘刀現象，因排屑槽被粉屑堵住，不能及時排出粉屑，而新產生的粉屑只能在高速旋轉的壓力、高溫下又增大了刀與孔壁的摩擦力而在溝槽內形成膠體狀，說明加工時會產生高溫溶脂現象。這種現象也能夠解釋內層截面上有樹脂粉屑及受到填充劑SiO2的擠壓為凹坑現象所發(fā)生的機理。

通過優(yōu)化響應器分析及結合等值線見圖9所示，將鉆頭轉速設定60 kprm，壽命設定300，進刀速調整到1.6 m/min（由于測試板出現進刀速太快出現斷鉆頭問題）,可以得到鉆污量控制在2.65 μm以內的實現概率約85%，為后面等離子和化學去鉆污提供更多的操作空間。

圖9 關鍵因子等值線分析圖

2.3.3 等離子體去鉆污處理的影響分析

基于前面對材料A除膠量的測量，由于其除膠量僅是同系材料的1/2，所以等離子處理時間適當延長。另外由于是高厚徑比25.5:1，為提高滲透能力，增加孔中間區(qū)域的清除效果。等離子體去鉆污以化學反應為主，等離子氣體在孔中持續(xù)反應過程中，孔中的生成物（CO、CO2、HF）的混合氣體在真空等離子腔內電離生成高活性的自由基，這些高活性自由基團與產品的粉屑（高分子化合物）反應，反應生成氣態(tài)副產物（如：CO、CO2等）被真空泵抽走，另外需要持續(xù)不斷的提供足夠的電離度的電離氣體才具有等離子體的性質。

結合響應優(yōu)化后的參數重復加工確認，如表2所示，兩種等離子參數的效果對比。

表2 去鉆污及鍍銅后ICD質量分析表

小結：從去鉆污及鍍銅后ICD結果可以得到，方案A的兩種孔限下，孔口、孔中都沒有ICD問題；而方案B在500孔限的情況下孔中位置有輕微的內層銅與孔銅連接不良。因此，等離子處理加工參數也是影響ICD的關鍵因素。高厚徑比的產品其中鉆頭壽命500 Hit的情況下，單個孔情況下由于等離子體混合反應物由兩端往中間擴散，生成物往孔口擴散，往往會導致孔中存在ICD現象，平磨小孔展示方案B在500 Hit情況下分離角度約20°～70°。

又按方案A，對0.2 mm、0.25 mm、0.35 mm三種大小孔徑的孔口和孔中的凹蝕情況和鍍銅厚度進行驗證，結果如表3所示?？梢耘卸▋?yōu)化后的鉆孔參數和等離子體去鉆污參數適用于材料A和考試板高厚徑比25.5:1產品的加工需求，孔壁質量及鍍銅的深鍍能力滿足要求，如圖11所示。

圖11 典型的孔切片

表3 方案A三種孔徑的深鍍能力分析（方案A）

3 總結

通過對鉆孔參數、等離子體去鉆污參數的驗證分析及優(yōu)化，改善材料A出現的ICD問題的方向即最大限度地減少鉆孔產生的粉屑對孔壁的黏附，為后面等離子體去鉆污處理留足更多的操作空間。另外結合板件高厚徑比的特點，優(yōu)化等離子流量比參數和處理時間以提高孔中的咬蝕量，達到提高孔壁的咬蝕均勻性的目的。

圖10 方案B的500 Hit孔切片

（1）鉆孔：加工參數方面，采用新鉆頭，降低轉速并控制孔限在500孔（孔徑≤0.25 mm）以內，可以最大限度降低鉆污，適當控制進刀速并提前預鉆，以減少斷鉆頭的概率及提高孔位精度。

（2）等離子體處理：調整CF4、N2、O2氣體流量比，適當增加CF4氣體流量比，以增強對孔中的咬蝕以提高咬蝕均勻性，在保證孔壁粗糙度等孔壁質量的前提下適當增加等離子處理時間。

另外由于產品類型多樣化，比如板件數量、孔徑、孔數及板厚等因素都會影響腔體負載面積，需要注意的是等離子體加工板件時，其中腔體負載量的控制也尤其關鍵，避免腔體高負載或低負載（零星板件）加工對孔壁質量造成的除膠不凈導致ICD或除膠過度導致的孔粗、芯吸等質量問題，這相關的問題也不容忽視，需要技術人員通過批量的數據收集后制定更合理的規(guī)則。