等离子与高Tg材料多层PCB板凹蚀
摘要：钻孔后多层PCB板的内层孔壁会有残留的树脂会阻碍孔金属化从而导致内层之间电性连接不良，所以，去钻污是保证内层连接的一种有效方法，传统的湿法去钻污越来越难以应对各种特殊材料材料的板件，比如说高Tg、特氟龙等。然而，等离子提供了一种有效的去除高Tg钻污的加工方式，本文将介绍如何应用等离子技术获得高Tg材料多层PCB板5~50 微米的凹蚀。
关键词：印制电路、凹蚀、等离子
一、前言
多层线路板在钻孔完毕后需要进行去钻污（Desmear）以除去孔壁及内层铜环上残留的树脂，保证孔金属化后各内层之间能够顺利导通。而孔壁上的树脂若能够去除足够，将内层铜完全裸露出来， 从而在孔壁金属化之后形成三面连接，则称为凹蚀工艺，凹蚀要求至少要在内层上形成两面以上的连接方可接受。虽然在目前行业内已很少生产凹蚀要求的板件，但是在美国军标（Mil-PRF-55110G） 和一些航空产品的要求中，仍然保留了这一凹蚀标准。而且由于对可靠性要求更为苛刻，一般都会采用高Tg板材进行加工。
PCB 行业目前主要采用高锰酸盐溶液进行去钻污，高锰酸盐去钻污流程较长，在面对高Tg 材料的处理上由于树脂的反应量很小，在凹蚀要求5~50 微米，最佳13 微米的要求上难以达成。根据已有的生产经验表明，以GA170（Tg170℃）材料为例，微蚀1 微米，高锰酸盐溶液处理就需要15 到20min 分钟，而其他的膨胀/中和/水洗都还未算在内。而Plasma 在处理高Tg 材料的钻污上显然就比湿处理方法有明显的优势，在40min 处理时间内能够稳定的得到8~20 微米的凹蚀。
关于等离子对树脂的蚀刻速率的研究，Merix 的SpenceSedacca 相关的研究表明，氧气、四氟化碳、氮气气流量、腔体温度、射频功率等都会对树脂的蚀刻速率有影响,并给出了相应的经验公式，我们重复试验也能验证这些影响因素对孔壁凹蚀量的影响。
二、工艺方法
实验板按照多层PCB板正常加工流程到钻孔，钻孔后的板件经过去毛刺，高压水洗，超声波水洗后装入Plasma 挂架上。等离子设备采用：March2800，射频频率40KHz；实验板采用台光EM827 材料6 层板，Tg为170℃。
Plasma 处理完毕后我们处理抽取板内不同位置的不同类型的孔进行切片分析，量测不同孔的凹蚀量。
三、结果分析
Plasma 处理完毕后，取不同位置的科邦的板内进行切片分析，可以看到有明显的凹蚀现象。
我们选择了板内排孔和板边科邦孔的凹蚀量，最小7.2 ，最大29.4 ，完全符合美国的军方标准。为了分析不同位置和孔径的差异，我们用Minitab 进行分组分析。
根据前人的研究经验，我们发现，单独时间控制即可以控制凹蚀量，若需要提升等离子的蚀刻速率，则需要在射频功率，温度控制上再进行调整，由于涉及到设备的稳定性和安全性，因此，我们未对这些参数进行调整。而随后我们对这些板件进行切片分析汇总的箱线图的结果也显示，0.4mm 孔径科邦和1.0mm 孔径科邦凹蚀量有显著差异，可见不同孔径对对凹蚀的影响也是显著的，这同湿处理流程存在类似的关系，孔径越大，孔内传质越容易进行，等离子处理也越强；板内的孔径1.0mm 排孔和科邦的1.0mm 孔径孔内凹蚀也有明显得差别，板中央和四周这种相对位置也会影响到孔内的凹蚀，所以在实际操作中，至少需要两次翻转板件以改善不同位置的板件间的差异。
等离子之所以能够在高Tg 材料上实现凹蚀，关键是它有与普通化学溶液不同的反应原理。溶液处理树脂的的原理主要是依靠高锰酸根的强氧化性，有机化合物的不饱和键在强氧化剂如高锰酸根或重铬酸根等物质都会发生氧化，而等离子的蚀刻原理与化学溶液的处理有本质的区别。等离子依靠的是具有非常活泼的自由基进行反应以氧气、四氟化碳等离子为例，在等离子腔体中，通入的氧气、四氟化碳，在真空度0.2~1.2mm 汞柱范围内，在腔体内阴阳电极之间施加射频电场，会在等离子腔体内产生很多种微利，包括正离子、负离子、自由基、光子、电子等总体呈电中性的混合物质， 称为等离子。由于射频的波段大部分都用在通信上，目前在等离子设备上商用的射频有只有三个频率，分别为40KHz/13.6MHz/2.45GHz ，一般把13.6MHz 称为高频等离子，2.45GHz 等离子称为微波等离子。
选择何种气体非常关键，不同气氛的等离子有不同的功能，这方面在March 等等离子设备商的资讯内都有相应的介绍。不同气氛的等离子有不同的反应原理因而也有不同的用途，等离子PCB 制造上用途最多的为HDI 板的去钻污以及PTFE 板的活化，前者一般使用四氟化碳和氧气，后者一般使用氮气和氢气。蚀刻树脂，一般都会采用四氟化碳和氧气来进行处理，但要注意,当氧气的含量增加时，树脂的蚀刻速率也在加快。一般在树脂蚀刻中，氧气比例不会低于80％。
要达到在5~50 微米的凹蚀还需要其他的一些控制措施，在孔壁状况较差的大孔，尤其是板边的大孔，容易产生过度凹蚀的现象，合理的选用遮蔽的板件是非常有效的，另外一点，由于等离子设备腔体内部，等离子密度分布存在不均的现象，相应的等离子蚀刻均匀性的评估，可以参见March 公司的技术指引，除了设备本身的性能改善之外，通过腔体内部板件交换位置多次处理可以防止局部孔壁凹蚀过度。
由于等离子过程中难以对玻璃布进行蚀刻，在等离子处理后的板件孔壁上有明显的玻璃纤维残留，这在可靠性测试中是属于应力较大的区域，通常我们在进行IST 或者冷热循环时发生失效的地方都为玻纤束位置，因此，合理的选择后续的玻璃纤维处理工艺是相当重要的。
四、结论及展望
通过工艺方法改进等离子蚀刻的均匀性，利用等离子处理可以达成凹蚀5~50 微米的美国军方要求。
在探索高Tg材料的凹蚀上，我们发现在其他的特殊板料如陶瓷填充的材料上面，非常容易发生内层铜存在一面或者双面阴影导致凹蚀不均，而玻璃纤维的蚀刻由于玻纤在钻孔中的松动产生毛细现象，导致过程控制难度加大，这也是后续需要进一步探索的方向。
关键词：印制电路、凹蚀、等离子
一、前言
多层线路板在钻孔完毕后需要进行去钻污（Desmear）以除去孔壁及内层铜环上残留的树脂，保证孔金属化后各内层之间能够顺利导通。而孔壁上的树脂若能够去除足够，将内层铜完全裸露出来， 从而在孔壁金属化之后形成三面连接，则称为凹蚀工艺，凹蚀要求至少要在内层上形成两面以上的连接方可接受。虽然在目前行业内已很少生产凹蚀要求的板件，但是在美国军标（Mil-PRF-55110G） 和一些航空产品的要求中，仍然保留了这一凹蚀标准。而且由于对可靠性要求更为苛刻，一般都会采用高Tg板材进行加工。
PCB 行业目前主要采用高锰酸盐溶液进行去钻污，高锰酸盐去钻污流程较长，在面对高Tg 材料的处理上由于树脂的反应量很小，在凹蚀要求5~50 微米，最佳13 微米的要求上难以达成。根据已有的生产经验表明，以GA170（Tg170℃）材料为例，微蚀1 微米，高锰酸盐溶液处理就需要15 到20min 分钟，而其他的膨胀/中和/水洗都还未算在内。而Plasma 在处理高Tg 材料的钻污上显然就比湿处理方法有明显的优势，在40min 处理时间内能够稳定的得到8~20 微米的凹蚀。
关于等离子对树脂的蚀刻速率的研究，Merix 的SpenceSedacca 相关的研究表明，氧气、四氟化碳、氮气气流量、腔体温度、射频功率等都会对树脂的蚀刻速率有影响,并给出了相应的经验公式，我们重复试验也能验证这些影响因素对孔壁凹蚀量的影响。
二、工艺方法
实验板按照多层PCB板正常加工流程到钻孔，钻孔后的板件经过去毛刺，高压水洗，超声波水洗后装入Plasma 挂架上。等离子设备采用：March2800，射频频率40KHz；实验板采用台光EM827 材料6 层板，Tg为170℃。
Plasma 处理完毕后我们处理抽取板内不同位置的不同类型的孔进行切片分析，量测不同孔的凹蚀量。
三、结果分析
Plasma 处理完毕后，取不同位置的科邦的板内进行切片分析，可以看到有明显的凹蚀现象。
我们选择了板内排孔和板边科邦孔的凹蚀量，最小7.2 ，最大29.4 ，完全符合美国的军方标准。为了分析不同位置和孔径的差异，我们用Minitab 进行分组分析。
根据前人的研究经验，我们发现，单独时间控制即可以控制凹蚀量，若需要提升等离子的蚀刻速率，则需要在射频功率，温度控制上再进行调整，由于涉及到设备的稳定性和安全性，因此，我们未对这些参数进行调整。而随后我们对这些板件进行切片分析汇总的箱线图的结果也显示，0.4mm 孔径科邦和1.0mm 孔径科邦凹蚀量有显著差异，可见不同孔径对对凹蚀的影响也是显著的，这同湿处理流程存在类似的关系，孔径越大，孔内传质越容易进行，等离子处理也越强；板内的孔径1.0mm 排孔和科邦的1.0mm 孔径孔内凹蚀也有明显得差别，板中央和四周这种相对位置也会影响到孔内的凹蚀，所以在实际操作中，至少需要两次翻转板件以改善不同位置的板件间的差异。
等离子之所以能够在高Tg 材料上实现凹蚀，关键是它有与普通化学溶液不同的反应原理。溶液处理树脂的的原理主要是依靠高锰酸根的强氧化性，有机化合物的不饱和键在强氧化剂如高锰酸根或重铬酸根等物质都会发生氧化，而等离子的蚀刻原理与化学溶液的处理有本质的区别。等离子依靠的是具有非常活泼的自由基进行反应以氧气、四氟化碳等离子为例，在等离子腔体中，通入的氧气、四氟化碳，在真空度0.2~1.2mm 汞柱范围内，在腔体内阴阳电极之间施加射频电场，会在等离子腔体内产生很多种微利，包括正离子、负离子、自由基、光子、电子等总体呈电中性的混合物质， 称为等离子。由于射频的波段大部分都用在通信上，目前在等离子设备上商用的射频有只有三个频率，分别为40KHz/13.6MHz/2.45GHz ，一般把13.6MHz 称为高频等离子，2.45GHz 等离子称为微波等离子。
选择何种气体非常关键，不同气氛的等离子有不同的功能，这方面在March 等等离子设备商的资讯内都有相应的介绍。不同气氛的等离子有不同的反应原理因而也有不同的用途，等离子PCB 制造上用途最多的为HDI 板的去钻污以及PTFE 板的活化，前者一般使用四氟化碳和氧气，后者一般使用氮气和氢气。蚀刻树脂，一般都会采用四氟化碳和氧气来进行处理，但要注意,当氧气的含量增加时，树脂的蚀刻速率也在加快。一般在树脂蚀刻中，氧气比例不会低于80％。
要达到在5~50 微米的凹蚀还需要其他的一些控制措施，在孔壁状况较差的大孔，尤其是板边的大孔，容易产生过度凹蚀的现象，合理的选用遮蔽的板件是非常有效的，另外一点，由于等离子设备腔体内部，等离子密度分布存在不均的现象，相应的等离子蚀刻均匀性的评估，可以参见March 公司的技术指引，除了设备本身的性能改善之外，通过腔体内部板件交换位置多次处理可以防止局部孔壁凹蚀过度。
由于等离子过程中难以对玻璃布进行蚀刻，在等离子处理后的板件孔壁上有明显的玻璃纤维残留，这在可靠性测试中是属于应力较大的区域，通常我们在进行IST 或者冷热循环时发生失效的地方都为玻纤束位置，因此，合理的选择后续的玻璃纤维处理工艺是相当重要的。
四、结论及展望
通过工艺方法改进等离子蚀刻的均匀性，利用等离子处理可以达成凹蚀5~50 微米的美国军方要求。
在探索高Tg材料的凹蚀上，我们发现在其他的特殊板料如陶瓷填充的材料上面，非常容易发生内层铜存在一面或者双面阴影导致凹蚀不均，而玻璃纤维的蚀刻由于玻纤在钻孔中的松动产生毛细现象，导致过程控制难度加大，这也是后续需要进一步探索的方向。
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随风 赞了这篇日记 2018-05-02 17:11:43
