印制電路板加工中孔內與板面除膠差異研究

韋進峰 唐海波 李恢海

（生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

0 前言

隨著印制電路板（PCB）應用頻率提高，高頻高速板材應用越來越廣泛，對PCB孔金屬化加工要求也越來越高，尤其在除膠條件的選擇上加工窗口越來越窄，既要除膠速率足夠大、保證孔內膠渣清除干凈、杜絕內層互連缺陷（ICD）問題導致電氣功能失效[1]，又要防止除膠速率過大造成除膠過度、引起CAF（導電陽極絲）形成，從而導致失效、縮短產品壽命。

覆銅板廠商極少能準確給出材料的除膠加工建議，且板材種類多、PCB產品要求多樣化，對每款PCB產品都投入資源去研究是不實際的，因此有必要對板材進行基礎研究以達到舉一反三、事半功倍的效果。本文通過研究基材板面和孔內除膠的差異和規律，對板材除膠條件的選擇提供科學合理的參考依據。

1 研究內容

選擇極低損耗（very low loss）的A基材制作樣品用于除膠速率測試，分別測試在等離子體除膠、水平除膠、垂直除膠及其組合條件下的除膠速率和SEM形貌，研究基材板面和孔內除膠的差異和規律。

2 研究方案

2.1 試樣

使用介質厚度0.9 mm的A覆銅板，在100 mm×100 mm面積上分別設計有不鉆孔（蝕刻成光板）、鉆孔孔徑0.3 mm（含銅不蝕刻）、鉆孔孔徑0.45 mm（含銅不蝕刻）三種狀態的測試樣品，無孔樣品需蝕刻掉銅箔露出基材板面用于板面除膠速率測試；有孔樣品銅箔不蝕刻以保護基材板面不除膠、因此除膠僅發生在孔內，為減小除膠重量損失過小造成的測試誤差，需要增加鉆孔試樣基材裸露的表面積，因此在面積大小固定的100 mm×100 mm試樣上需要減小孔間距來獲得更多的孔，但孔間距又不能過小以免造成鉆孔裂紋導致測試失真。設計0.3 mm孔徑矩陣為150×150，孔中心距0.65 mm；0.45 mm孔徑矩陣為120×120，孔中心距0.8 mm（見圖1所示）。可知孔內除膠表面積=3.14159×孔徑×板厚×孔數，表面除膠表面積為20 000 mm2（100 mm×100 mm×2）。使用不同的除膠條件制作（見表1所示）并測試除膠速率和SEM形貌。PCB除膠除了采用垂直和水平兩種常見化學除膠方式外，等離子體表面處理技術[2]也普遍應用于PCB領域，下文中Plasma10、Plasma15、Plasma20、Plasma30，分別代表等離子除膠時間為10 min、15 min、20 min、30 min。

2.2 試驗步驟

本次試驗步驟如下：（1）鉆孔，使用A覆銅板鉆出所需的0.3 mm、0.45 mm孔徑的矩陣；（2）去毛刺，清理板面毛刺和殘留物；（3）銑板，將每塊板無孔、孔徑0.3 mm孔、孔徑0.45 mm孔三種狀態的測試樣品銑出并標記區分；（4）蝕刻，將無孔的測試樣品蝕刻成光板，含孔測試樣品不蝕刻；（5）烘烤和稱重，將試樣烘干并第1次稱重，作為除膠前重量；（6）除膠制作，按表1的除膠測試條件同時對無孔、孔徑0.3 mm孔、孔徑0.45 mm孔三種測試樣品進行除膠；（7）烘烤和稱重，將試樣清洗烘干并第2次稱重，作為除膠后重量；（8）計算除膠速率和SEM形貌觀察測試，除膠速率=（除膠前重量-除膠后重量）/除膠表面積，單位換算為mg/cm2。

圖1 三種狀態測試樣品的設計

表1 除膠測試條件

3 研究結果及分析

試驗的各種除膠方案，表面除膠均未發現咬噬過度露玻纖的情況，說明除膠過程中樹脂被持續咬蝕，過程中除膠機理未發生變化，除膠過程正常，測試數據可靠。根據試驗結果，從不同角度對比分析。

3.1 等離子體除膠對板面與孔內除膠的差異

等離子體除膠條件表現出一定規律性，單純等離子體除膠，除膠速率隨除膠時間延長而逐漸增大，但增大幅度逐漸減小，這是因為等離子體除膠時間延長，基材表面累積的粉塵、填料顆粒（見圖2所示）阻礙等離子體對樹脂的攻擊，咬蝕越來越弱，對材料表面的咬噬趨于穩定。

等離子體除膠條件下，表面除膠大于孔內除膠，大孔除膠大于小孔除膠，除膠速率大小順序為表面除膠（無孔，用0表示）＞0.45 mm孔＞0.3 mm孔（見圖3所示）。等離子體是一種物質狀態，有自由行程限制，基材表面離等離子體發射源（即電極板）越近，等離子體行程短且能量密度高，越容易到達基材表面，對基材的攻擊咬蝕越強；而孔內基材離等離子發射源相對較遠，等離子體行程較遠且偏離直線、能量密度低，較難到達孔內基材，對基材攻擊咬蝕較弱；等離子體在小孔徑中更容易受到阻礙，更難到達孔內基材表面，對孔內基材攻擊咬蝕變得更弱。

3.2 化學除膠對板面與孔內除膠的差異

垂直除膠時，表面除膠速率小于0.05 mg/cm2，幾乎無咬蝕作用，但是對孔內除膠作用明顯，孔內除膠速率比表面除膠速率大0.7 mg/cm2左右（見圖4所示）。這是由于鉆孔后孔壁基材疏松，藥水更容易滲透到基材內部，填料顆粒失去樹脂的黏結而更容易脫落，而表面除膠由于無法將樹脂咬蝕完全，導致填料顆粒無法脫落而在表面聚集（見圖5所示）；孔徑0.45 mm孔除膠速率稍大于孔徑0.3 mm孔除膠速率，孔徑大藥水更容易交換促進化學反應從而咬噬增大。等離子除膠后增加垂直除膠，表面除膠速率增加約0.1 mg/cm2，孔內除膠速率增加1.0 mg/cm2左右，增加值大于單純垂直除膠的除膠速率，這是由于等離子體攻擊基材表面造成表面積增大，藥水更容易咬噬基材。表面除膠速率在垂直除膠時較小，等離子體+垂直除膠組合下的表面除膠效果由等離子體除膠起決定作用；垂直除膠的孔內除膠速率相比表面除膠明顯增大，而等離子體除膠的孔內除膠速率減小，垂直除膠對等離子體+垂直除膠組合下的除膠效果起決定作用。

圖2 等離子體除膠后形貌

圖3 不同等離子體條件的除膠速率

水平除膠，表面除膠速率小于0.02 mg/cm2，幾乎可忽略；孔內除膠速率約0.05 mg/cm2，稍有增大但不明顯，因為鉆孔后孔壁基材疏松，藥水更容易滲透到基材內部。但是水平除膠相比垂直除膠，除膠時間短、強度低，因此除膠速率增大不明顯。孔徑0.45 mm孔除膠速率稍大于孔徑0.3 mm孔除膠速率，0.45 mm孔直徑更大，藥水更容易交換有關。等離子體除膠后增加水平除膠，表面除膠速率增加約0.03 mg/cm2，孔內除膠速率增加約0.1 mg/cm2，增加值大于單純水平除膠的除膠速率，這是由于等離子攻擊基材表面造成表面積增大，藥水更容易咬噬基材。由于水平除膠的表面除膠速率較小，等離子體+水平除膠組合下的除膠效果由等離子體除膠起決定作用；水平除膠的孔內除膠速率比表面除膠速率增大，而等離子體除膠的孔內除膠速率減小，水平除膠的作用相對變大，對組合條件下的除膠效果貢獻已不可忽略，從增加水平除膠次數后除膠速率呈上升趨勢可以看出水平除膠的作用（見圖6、圖7所示）。

圖4 垂直除膠及其組合條件的除膠速率

圖5 垂直除膠的效果

通過SEM觀察發現，單純等離子體除膠，無論表面還是孔內都殘留較多的填料顆粒；單純一次水平除膠不能將孔內鉆污清除干凈；等離子體除膠后經過一次水平除膠，殘留的填料顆粒明顯減少，填料顆粒殘留隨水平除膠次數增加而減少（見圖7所示）。可見水平除膠對殘留填料顆粒有較好的清除效果，這與填料顆粒在水平除膠過程中受到較大外力作用（超聲波振蕩、高壓水沖洗等）有關。可見化學除膠速率小且填料較多的材料，等離子體除膠后加強機械清洗是很有效的手段，如超聲波清洗、高壓水洗有助于將填料通過機械力的方式去除，且不需延長化學除膠時間，不會增大樹脂咬噬量和暈圈，不使絕緣性能變差，因此在等離子體除膠后增加超聲波水洗是有好處的。

圖6 水平除膠及其組合條件的除膠速率

圖7 水平除膠的效果

3.3 孔內與板面除膠速率的對比換算

測試各種除膠條件下的表面除膠速率、孔徑為0.3 mm孔內除膠速率、孔徑為0.45 mm孔內除膠速率，并計算孔內與板面除膠速率的比值（見圖8所示）。從圖中可看出：（1）等離子體對板面的除膠速率大于孔內，說明通常的板面除膠速率測試結果不能等同于孔內除膠，需要乘以換算系數進行折算，以免孔內除膠不充分造成ICD缺陷；（2）水平除膠、垂直除膠的表面除膠速率非常小，測試誤差大，計算比值時可能導致錯誤的結果，因此這兩種條件下的孔內除膠速率與板面除膠速率比值不具有參考意義；（3）孔徑為0.45 mm孔內除膠速率與孔徑為0.3 mm孔內除膠速率的比值均大于或等于1.00，說明鉆孔孔徑越大，除膠越容易，等離子體除膠、化學除膠及其組合除膠條件下均表現出相同的規律，因此判斷含有多種孔徑的PCB除膠是否充分，對最小孔徑的判斷是必不可少的。

目前業內通常采用經驗值法來判斷除膠條件，這種做法隨意性很大，對產品質量要求較低的情況是可行的。但是產品質量要求無ICD缺陷，還要有低的暈圈、好的耐CAF能力，這對除膠效果要求越來越高，除膠速率必須控制在一定范圍內，除膠速率過大或過小都不能滿足產品質量要求。

除膠的作用是將孔內殘留的膠渣清除干凈、無過度咬蝕、孔壁形狀良好，因此可以從孔壁除膠厚度的控制來計算需要的孔內除膠速率，再通過換算系數計算需要的板面除膠速率，從而獲得對應的除膠條件，以A材料為例進行說明。通過公式質量=密度×體積，體積=表面積×厚度，即質量=密度×表面積×厚度，可以通過重量換算成厚度，即除膠速率可以用除膠厚度來表示。密度可以通過表面除膠速率測試樣品的質量、長度、寬度和厚度計算得出；孔內除膠測試樣品因表面有銅箔保護，僅孔壁在除膠過程中發生重量損失，失去的重量即是孔內一定厚度的膠渣被除去的重量，因此通過密度、孔壁的表面積、孔壁除膠的重量損失，可以計算出除膠厚度。將孔徑0.3 mm孔的孔內除膠速率、孔內除膠厚度做散點圖，并得出線性擬合公式：除膠厚度=5.9652×除膠速率，擬合優度R2=0.9977（見圖9所示），除膠厚度與除膠速率有較強的線性關系，說明通過除膠厚度來選擇判斷除膠條件是科學合理的，能更直觀表達PCB除膠的效果。

通過擬合公式計算不同除膠厚度要求的孔內除膠速率（見表2所示），例如除膠厚度控制在1.5～2.0 μm，要求孔內除膠速率控制在0.25～0.34 mg/cm2。板材評價實際操作中通常測試表面除膠速率而不是孔內除膠速率，我們希望知道孔內除膠厚度對應要求的表面除膠速率是多少，通過孔內除膠速率和表面除膠速率的換算系數計算出要求表面除膠速率，例如0.3 mm孔內除膠厚度1.5 μm、2.0 μm在不同除膠條件下的表面除膠速率要求值（見圖10所示），將實際測試的表面除膠速率與該表面除膠速率要求值進行比較，進而判斷和選擇符合要求的除膠條件。

圖8 孔內與板面除膠速率的對比換算

圖9 0.3 mm孔內除膠厚度與孔內除膠速率的關系

表2 0.3 mm孔內除膠厚度要求的孔內除膠速率

4 結語

通過除膠的研究對比得出如下幾點：

（1）孔內除膠與板面除膠明顯不同，不同孔徑之間也有差異，通常的除膠速率測試無法真實反映孔內除膠的情況，可以通過試驗研究其作用機理得到換算系數并進行修正。（2）依靠經驗值法難以滿足高質量除膠加工窗口要求，通過控制孔內除膠厚度可以更準確直觀的控制除膠質量。

以上初步探討了PCB材料孔內除膠與板面除膠的差異，還有許多值得深入研究的地方，如不同板厚、不同孔徑的除膠差異、孔口與孔中除膠的差異等，希望本文能夠拋磚引玉，對PCB的除膠研究帶來更多啟發。

圖10 孔內除膠厚度在不同除膠條件的表面除膠速率要求值

以上孔內除膠速率和表面除膠速率的換算系數雖然是基于A材料得出的，但是它體現的是表面除膠和孔內除膠的區別而不是材料的區別，理論上對其它材料也適用；相同機理除膠條件的換算系數理論上可以統一以簡化應用（如等離子體除膠Plasma10、Plasma15、Plasma20、Plasma30換算系數為0.53～0.64），但需要重復試驗驗證以確認修正換算系數。