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）

對等離子去鉆污參數(shù)進行工藝研究，通過實驗評估了加工電極功率和加工時間對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)對去鉆污量的影響。將電極功率和加工時間與PCB去鉆污量進行了線性關系擬合，得到函數(shù)關系方程。最后進行了切片分析，驗證了函數(shù)方程的應用范圍。

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動的狀態(tài)，所以具有相當高的能量，其對于任何有機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特點是：它不分處理對象，可處理不同的基材，無論是金屬、半導體、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材料的整體、局部或復雜結構進行部分加工。

本文以孔壁的平均去鉆污量為標準，通過用不同等離子體加工參數(shù)進行板件的去鉆污實驗研究。得出并分析了等離子去鉆污參數(shù)的變化對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)微米范圍以內的分子鍵，誘導削減一定厚度，生成凹凸表面，形成氣體成分的官能團等表面的物理和化學變化，提高相應的除污、表面活化、提高鍍銅粘結力等作用。

等離子體對PCB去鉆污處理的方式主要有以下兩種：

化學反應：利用等離子體的活性基團與要處理的物質進行一系列的化學反應，生成揮發(fā)物，進而來達成等離子體處理。

以最常用的O2/CF4體系為例：

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

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

其中，還有一個非常重要的副反應：

反應式1生成的HF氣體在設備艙體內，會進一步與PCB基材內的玻纖進行反應，表現(xiàn)出等離子體在咬蝕基材的反應進行到一定程度后，，會相應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：利用正離子撞擊分子表面的方式，使需要處理的物質。脫離PCB而達成處理的目的。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

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

物理反應缺點：對表面有很大的損害，會產(chǎn)生大的熱效應，被清洗表面的各種不同物質選擇性差，腐蝕速度較低。

化學反應優(yōu)點：清洗速度較高、選擇性好、對清除有機污染物比較有效。

化學反應缺點: 在表面產(chǎn)生氧化物。和物理反應相比較，化學反應的缺點不易克服。

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

無論是化學反應還是物理反應，其加工參數(shù)都會對去鉆污效果有著一定的影響。本文以等離子體化學反應去鉆污為例，研究了各個參數(shù)對板件鉆孔后去鉆污效果的影響。

2 試驗設計

實驗流程設計和關鍵說明：

下料—棕黑化—配板—層壓—銑邊—鉆孔（按照鉆孔參數(shù)指導進行加工）—銑外形（銑出試片）—等離子去鉆污（采用不同方案進行加工）—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情形。加工完畢后重新烘干并稱重，結合試片的孔壁總樹脂面積，可以計算試片的孔壁平均去鉆污量。（為了保證測試結果均勻準確，每個試片至少重復9次，最后取平均值。）

圖2 實驗板設計

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。

我們在實驗中研究了加工時間，電極功率和去鉆污有效面積等系列數(shù)據(jù)對去鉆污效果的影響。等離子加工參數(shù)如表1。

表1 試驗方案設計表

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，進行沉銅、電鍍，然后進行切片制作，檢查去鉆污效果。

表2 試驗方案參數(shù)表

3 實驗結果和分析

對三種方案加工出的板件進行數(shù)據(jù)收集整理：

（1）電極功率對單位面積去鉆污量的影響（表3）。

表3 電極功率對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系圖，然后進行曲線擬合，得到了兩者的相關方程式。

業(yè)界去鉆污量控制在0.15 mg/cm2～ 0.6 mg/cm2，本次實驗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，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。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系

（2）加工時間對單位面積去鉆污量的影響（表4）。

隨著加工時間得變化，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間的變化關系圖，然后進行曲線擬合，得到了兩者的相關方程式。

表4 加工時間對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間的關系

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間的變化同樣地呈指數(shù)形式的上升，但是加工時間的變化會使得PCB板單位面積的去鉆污量變化較大，當加工時間為5 m in時，單位面積去鉆污量僅為1.778 mg/cm2，極易導致去鉆污不良，進而導致出現(xiàn)層間分離現(xiàn)象。而當加工時間為40 m in時，單位面積去鉆污量為0.659 mg/cm2，超過了業(yè)界的標準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加工時間能控制在（5～40）m in這一范圍內，可以根據(jù) 這一公式來控制合適的加工時間，進而控制等離子去鉆污的量。

（3）板件內有效面積對單位面積去鉆污量的影響（表5）。

隨著板件內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間的變化關系圖，然后進行曲線擬合，得到了兩者的相關方程式。

表5 有效面積對單位面積去鉆污量的關系

4 總結

圖5 有效加工面積對去鉆污量的影響

圖5是方案三的數(shù)據(jù)結果圖，根據(jù)數(shù)據(jù)進行線性擬合，發(fā)現(xiàn)板件單位面積去鉆污量與板內有效加工面積呈對數(shù)關系。當板內有效加工面積少于200 cm2時，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，導致后續(xù)加工出現(xiàn)層間分離現(xiàn)象。所以對PCB進行plasma加工時，要根據(jù)板內的有效加工面積和鉆孔厚徑比來進行考慮，因為PCB厚徑比對plasma去鉆污效果的影響在業(yè)界已經(jīng)反復研究過，在此不做贅述。

板件切片分析：

（1）加工功率對板件去鉆污效果的影響。

隨著加工功率的變化，板件的孔內去鉆污效果良好，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，是因為功率加大，主反應（上文的反應式1&2）速率加快，等離子體咬蝕樹脂的速度加快，但是副反應（上文的反應式3）較慢，即HF與玻纖（SiO2）的反應速度無法與主反應保持一致，導致玻纖蝕刻速率無法與樹脂蝕刻速率保持一致，進而出現(xiàn)玻纖突出等現(xiàn)象

圖6 切片結果1

（2）加工時間對板件去鉆污效果的影響。

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

圖7 切片結果2

（3）有效加工面積對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。但是當板內孔數(shù)量或者有效加工面積較少時（〈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，極有可能是因為板內去鉆污有效面積過小，等離子體不能良好的通過孔內進行去鉆污，導致去鉆污量較少，發(fā)生層間分離現(xiàn)象。

圖8 切片結果3

本文通過對等離子去鉆污工藝原理分析，結合實驗設計和驗證，對等離子去鉆污參數(shù)進行了初步的研究；通過加工時間、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)關系。在后續(xù)的等離子加工過程中，根據(jù)板件的實際情況，可以推導出得函數(shù)關系式來控制PCB板件單位面積去鉆污量。

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

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

馮春皓，高分子化學碩士，產(chǎn)品研發(fā)部擔任工程師，主要負責服務器產(chǎn)品及高速產(chǎn)品的開發(fā)與維護。

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