賈 維 唐瑞芳 劉勝賢 周國云 洪 延 陳 磊 李志強

（1.電子科技大學材料與能源學院，四川 成都 610054；2.莆田市涵江區(qū)依噸多層電路有限公司，福建 莆田 351117；3.珠海恒格微電子裝備有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引言

隨著鉆孔技術(shù)的不斷提升，印制電路板（printed circuit board，PCB）通孔孔徑越來越小，因此增加了孔內(nèi)鉆污的清洗難度，特別是高厚銅的新能源汽車電源電路板、高多層服務(wù)器/交換機電路板等產(chǎn)品［1-2］。

等離子體是物質(zhì)以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)3 種狀態(tài)存在之外的第4 種狀態(tài)。等離子體中存在處于高速運動狀態(tài)的電子，激活狀態(tài)的中性原子、分子、原子團（自由基）以及離子化的原子、分子等，因而具有高度的活化性能，能夠與PCB 孔壁高分子材料及玻璃纖維發(fā)生氣固化學反應(yīng)，從而達到去除鉆污、活化孔壁的目的［3］。為了解決PCB 孔壁的復(fù)雜成分鉆污問題，等離子體在剛撓結(jié)合PCB 中得到了廣泛的應(yīng)用。雖然高厚徑比通孔的主要成分為環(huán)氧樹脂、SiO2玻璃布等材料，可以采用高錳酸鉀溶液進行處理［4］，但是，受毛細管效應(yīng)的影響，處理溶液無法進入孔內(nèi)，孔內(nèi)清洗不干凈，容易導(dǎo)致PCB 出現(xiàn)可靠性問題。采用等離子體進行清洗成為高厚徑比通孔的主要處理方法［5］。

在氣體使用方面，等離子體的輸入氣體一般為CF4和O2。其中，CF4主要起刻蝕作用，O2起活化作用。近年來，三元等離子體氣體，即在原來CF4和O2的基礎(chǔ)上增加N2，成為了行業(yè)內(nèi)更為認可的方案［6］。因此，本文針對三元等離子體（CF4/O2/N2）對高厚徑比通孔的清洗/活化技術(shù)進行系統(tǒng)研究，揭示三元等離子體在孔壁清洗方面的應(yīng)用性能。

1 試驗部分

1.1 試驗設(shè)備及材料

大族激光機械鉆孔機（鉆孔直徑為0.2 mm）；恒格等離子PE16-2544（垂直機）；正業(yè)金相剖面顯微鏡；FR-4 基材的多層PCB，其中通孔孔厚徑比為15∶1。

1.2 試驗過程

在多層PCB 上使用大族激光機械鉆孔機，其中，PCB的厚度為3 mm，孔徑為0.2 mm，孔厚徑比為15∶1。將鉆完孔的PCB 放到等離子機上進行等離子體清洗。等離子體清洗分為3 個階段，分別為加熱階段、刻蝕+活化階段及活化階段。等離子體清洗的基本參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 等離子體清洗高厚徑比通孔基本參數(shù)設(shè)置情況

在等離子體清洗過程中，工作溫度、應(yīng)用功率以及氣體的成分是主要的影響因素。因此，基于表1 中的參數(shù)，在清洗過程中調(diào)整功率、溫度及氣體的比例，明確等離子體清洗的最優(yōu)參數(shù)。在評價參數(shù)時，以孔壁清洗均勻性為依據(jù)，具體如圖1 所示。高厚徑比通孔清洗均勻性Tp=Tm/Te×100%。

圖1 孔壁清洗均勻性的測試與評價方法

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 等離子體清洗電極板面均勻性

將1 100 mm×620 mm 的電極使用含有通孔的PCB 在制板全部塞滿，采用如表1 所示的等離子體參數(shù)進行通孔清洗。將整板電極劃分為9 個區(qū)域，如圖2所示。每個區(qū)域隨機選取3個通孔進行清洗量的計算，得到計算結(jié)果見表2。其中，計算數(shù)據(jù)取孔上邊緣數(shù)據(jù)。

圖2 電極板面等離子體清洗均勻性測試區(qū)域劃分

表2 電極板面等離子體清洗均勻性分析數(shù)據(jù)

由表2 可見，等離子體清洗的通孔不同區(qū)域存在一定差異。其中，越靠近中間的區(qū)域，清洗量越大。電極中間與邊緣的清洗量相差不大，其均勻性達到92%，可以作為三元等離子體清洗高厚徑比通孔參數(shù)的評價方法。在下面的試驗中，將樣品統(tǒng)一放置在區(qū)域5的位置。

2.2 等離子體溫度對高厚徑比通孔清洗效果的影響

溫度升高有利于等離子體去除鉆孔過程中的鉆污，加快孔壁樹脂與環(huán)氧玻璃布等材料與等離子體之間的反應(yīng)。基于表1 所述的等離子體清洗基本條件，改變階段2 的溫度，分別采用65 ℃、75 ℃、85 ℃、95 ℃以及105 ℃對通孔進行清洗。取金相切片測試的Te數(shù)據(jù)結(jié)果，繪制清洗量隨溫度變化情況及Te與Tm計算孔壁清洗均勻性圖，如圖3和圖4所示。

圖3 清洗量隨溫度變化曲線

圖4 清洗均勻性隨溫度變化曲線

由圖3 可見，隨著溫度的升高，清洗量快速提升。在設(shè)備提供的最高溫度105 ℃下，其清洗量達到了近13 μm，幾乎是65 ℃條件下的2 倍。因此，升高工作溫度有利于清洗速率的提升。

由圖4 可見，在清洗均勻性方面，過低的溫度不利于等離子體在高厚徑比通孔內(nèi)進行傳輸或運動。只要保持在85 ℃以上，其清洗均勻性能夠保持在85%左右。在實際的清洗過程中，根據(jù)PCB 材料的特性，三元等離子體清洗的溫度應(yīng)設(shè)置在75～105 ℃。

2.3 等離子體功率對高厚徑比通孔清洗效果的影響

等離子體工作功率的提升有利于氣體的離子化，進而提高等離子體中活性原子、離子、中性粒子等的含量。清洗量隨工作功率變化曲線如圖5所示，清洗均勻性隨工作功率變化曲線如圖6所示。

圖5 清洗量隨工作功率變化曲線

圖6 清洗均勻性隨工作功率變化曲線

由圖5 可見，隨著工作頻率的提高，清洗量快速提升。在最高功率8.5 kW 的條件下，其清洗量達到了近14 μm，幾乎是6 kW條件下的2倍。

由圖6 可見，工作功率的增加有利于等離子體在高厚徑比通孔內(nèi)部滲透，因此，均勻性也得到了提升。但在7 kW 后繼續(xù)增加功率，清洗均勻性基本不變，而且能夠保持在85%左右。在實際的清洗過程中，根據(jù)PCB 材料的特性，三元等離子體清洗的功率應(yīng)設(shè)置在7.0～8.5 kW。

2.4 CF4氣體含量對高厚徑比通孔清洗效果的影響

在三元等離子體中，CF4主要發(fā)揮刻蝕作用，因此其含量對于清洗量的大小影響較大。為此，改變等離子氣體中CF4氣體的含量，分析清洗量的變化規(guī)律，如圖7和圖8所示。

圖7 清洗量隨CF4含量變化曲線

圖8 清洗均勻性隨CF4含量變化曲線

由圖7可見，清洗量隨著CF4含量的增加先增加后減少。在CF4含量為10%時，清洗量達到最大值。但是，從圖8可以看出，增加CF4含量降低了其清洗均勻性的值。綜合清洗量與清洗均勻性隨CF4含量的變化規(guī)律，建議CF4含量設(shè)置在8%～10%。

等離子體清洗的基礎(chǔ)條件（表1）涵蓋了試驗中溫度、功率、CF4含量的最優(yōu)值范圍。采用表1所示的條件對厚徑比為15∶1 的通孔進行清洗處理，如圖9 所示。從圖9 可見，其孔壁較為清潔，樹脂有一定的刻蝕，能夠有效保障孔金屬化的應(yīng)用可靠性。取某一銅層處理前與處理后的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）圖進行比較，可以明顯地看到銅表面上的鉆污已被清洗干凈，露出了干凈的銅層，如圖10 所示。此外，介質(zhì)層的玻璃布也更為清晰，說明等離子體對樹脂形成了一定的刻蝕。

圖9 等離子體處理后高厚徑比通孔金相切片

圖10 等離子體處理前后SEM圖對比

3 結(jié)語

本文針對三元等離子體（O2/N2/CF4）在高厚徑比通孔中的應(yīng)用條件進行關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律的演化研究。通過對等離子體清洗量和清洗均勻性的綜合研判，得到了三元等離子體清洗高厚徑比通孔根據(jù)材料特性可以選擇溫度75～105 ℃，功率7.0～8.5 kW，CF4含量8%～10%。采用最優(yōu)化范圍內(nèi)的條件獲得的樣品，使用金相顯微鏡與SEM 進行觀察，結(jié)果顯示該條件下獲得了良好的清洗效果。