印制電路板制造中大腔體等離子體機的蝕刻均勻性研究

吳振龍 付 藝 孫 威 彭建國

（珠海方正科技多層電路板有限公司-F7 交付中心，廣東 珠海 519175）

0 引言

隨著5G產品的高性能要求，相應地對材料和工藝也有著更高的要求，高頻高速材料的使用比例從30%上升至60%，對印制電路板（PCB）的生產也有了更嚴苛的要求。在PCB生產過程中，等離子體（Plasma）技術有著傳統化學除膠渣無可比擬的技術優勢，在5G的高頻高速PCB生產中，等離子體除膠渣具有不可替代的工藝特性。等離子體是一種具有一定顏色的準中性電子流，是由離子、電子、原子以及自由激進分子組成。在真空腔體內能量發生器輸出高頻電壓使導入的氣體離子化，這種環境被稱為物質的第四態。各種原子和電子被離子化、被激化，而且在高頻條件下其運動是非常劇烈的，具有很高的能量，所以組成反應劇烈的混合物質對物體的表面和孔壁具有很強的物理化學反應（如圖1所示）。等離子體除膠渣具有有效去除孔壁殘膠，達到清潔、活化及均勻蝕刻的效果，有利于孔壁鍍銅層的連接，增強結合力。

有些5G PCB產品具有拼板尺寸大的特點，PCB的單板尺寸達到685.8 mm以上，為提高等離子體除膠渣的產能，大腔體的等離子體機開始逐步應用，但是大腔體設計對除膠均勻性具有一定的挑戰。并且目前業界對于等離子體除膠均勻性的測試方法和計算方法沒有明確的規定，不同的測試方法和計算方法得到的均勻性數據有著明顯的差別。本文通過采用不同測試片數量和排布方式針對1156 mm×1800 mm×1099 mm的大腔體等離子體機除膠均勻性測試方法及計算方式進行研究，找出等離子蝕刻均勻性的影響因素。

圖1 等離子體除膠渣的反應原理

1 試驗與分析

常用的除膠均勻性測試方法有54pcs（3×18pcs）、30pcs（3×10pcs）兩種測試方法，但兩種測試方法都存在一定的弊端，對比了兩種方法的除膠情況。

1.1 測試方法：

（1）將10 cm×15 cm尺寸IT158無銅基板先做好序號標識，然后于120 ℃烘60 min后移至干燥器冷卻30 min后稱重得M1；

（2）等離子體腔體進行預熱后，將測試片分別嵌入廢板中懸掛；

（3）除了在Rack架上已放置測試片的層次外，其余層次的空架子用與廢板等大尺寸的鉆孔后的報廢線路板整齊裝滿，在相應參數下進行除膠；

（4）清洗后的測試板再于120 ℃烘60 min后移至干燥器內冷卻30 min后稱重得M2；

（5）計算出測試前、后的質量差，根據極差法公式計算均勻性：U%=[1-(MAX-MIN）÷（2×AVG）]%。

1.2 54 pcs樣片均勻性測試法

54 pcs樣片測試法分別在第L1、L8、L15層，如圖2所示，將測試片按照每層18 pcs（共54 pcs）排布，如圖3所示，測試結果除膠均勻性為44.33%，未能滿足除膠均勻性≥80%的要求，如表2所示。

1.3 30 pcs樣片均勻性測試法

30 pcs樣板測試法分別在第L1、L8、L15層，由每層18板改為每層10片（如圖4所示），除膠均勻性測試結果為64%，較54 pcs法有明顯提升，但仍未能滿足均勻性≥80%的要求，如表3所示。根據平均鉆孔數量71 520孔/板計算，平均孔面積約為1684 cm2，采用18片單層的測試片總面積約為2700 cm2，遠大于1片板的有效除膠面積；10片單層測試片總面積為1500 cm2，與1片板平均孔面積更為接近，說明采用10片/層的測試方式更接近實際情況。在相同的除膠參數下，測試片面積越大意味著單位面積的等離子氣體量也相對降低，除膠量也有所降低，所以單層的測試片數量過多會導致測試結果與實際情況不匹配。

2 等離子體除膠均勻性的影響因素

2.1 進氣管氣孔分布對均勻性的影響

表1 均勻性測試參數設置

圖2 等離子體板架層數分布示意圖

圖3 54 pcs法測試片排布示意圖

表2 54 pcs樣片法除膠均勻性測試結果

圖4 30 pcs法排布示意圖

為了驗證3×10 pcs測試方法的除膠均勻性效果，經多次反復驗證，發現每次的測試數據結果的波動較大，由于測試過程中誤差是難以避免，測試量越少，則誤差對整體的影響也就越大，通過增加整體測試片數量，將測試方法由3×10 pcs更改為5×10 pcs，即L1、L4、L8、L11、L14這5層分別排布10 pcs測試片，這種排布方式分布的層次較54 pcs法和30 pcs法更多，更接近生產板在等離子體除膠的實際狀態。再次反復測試50 pcs法結果發現，采用50 pcs法測試結果整體波動較30 pcs法小，同時，在使用54 pcs、30 pcs和50 pcs法出現的第L8層后門真空泵抽氣口周邊區域除膠量偏低，而在前門下方區域的除膠量明顯較高的現象。

表3 30 pcs樣板法除膠均勻性測試結果

圖5 等離子體機結構示意圖

結合等離子體機設備結構可以發現，真空泵抽氣口位置正好處于L8層位置（L6-L10層前門進氣管氣孔數少，后門進氣管氣孔數多），從而導致在抽氣口附近區域局部氣體流動較快，即工藝氣體在此區域剛形成等離子體就被真空泵抽出，導致局部區域的等離子體濃度相對較低，導致除膠效果相對降低。此外，靠近前門區域除膠量較中間及后門區域大的原因也水落石出，這是由于抽氣口由近及遠，越靠近抽氣口的區域氣體的速率也就越快，靠近前門的交換速率相對較慢，等離子體與孔壁內的膠渣有充分的作用時間，能夠有效地達到除膠的效果。由于設備抽氣口位置相對固定，要改變局部的除膠量就必須改變該區域的等離子體濃度，所以需調整氣管進氣孔排布，在靠近后門的進氣管通過增加第L6～L10層靠近真空泵抽氣口位置的氣孔數量，前門區域減少進氣管進氣孔數量（見圖5），從而達到調整各區域等離子體濃度，提高除膠均勻性的效果，如表4所示。

表4 50 pcs樣板法除膠均勻性測試結果（調整進氣孔之后）

2.2 均勻性計算方法對均勻性的影響

根據目前業界同行的做法，除了采用極差法，還常使用標準偏差法進行計算，本文針對54 pcs樣板法、30 pcs樣板法以及50 pcs樣板法三種測試方法的測試結果分別采用兩種不同的公式進行計算，如式（1）、式（2），結果可以明顯看出，如表5所示，相同的測試數據，標準偏差法計算結果較極差法大，說明采用標準偏差法更容易滿足除膠均勻性≥80%的要求，同時代表采用極差法計算對于測試的均勻性要求更加嚴格。

極差法：

標準偏差法：

表5 不同測試和計算方法的均勻性測試結果

不得不提出的是在使用極差法計算時需要保證測試結果的真實性和數據的有效性，如果在測試過程中出現異常點則存在導致極差失真，那么測試結果就無法代表真實的除膠均勻性。所以在實際測試過程有效地避免方式如下。

（1）去掉最大值和最小值，以規避異常點帶來的影響；

（2）做平行測試，通常需要做3組，但因實際生產中測試次數增多會影響產能。

3 結論

（1）本文測試結果表明，測試片數量越多，測試數據穩定性越高，即數據的可靠性越高，但測試板數量應根據生產板平均孔面積計算測試板數量而定；

（2）由極差法與標準偏差法兩種計算方法對比可知極差法計算公式對于除膠均勻性的測試結果要求更高，并且更符合實際除膠均勻性情況；

（3）等離子體進氣管的氣孔排布對均勻性有明顯影響，需結合設備自身結構設計考慮腔體內氣體分布。

4 致謝

感謝付藝經理、王文維等人的悉心指導，以及孫威高管、彭建國資工、黃超斌等在本論文探討和撰寫過程中的支持和幫助，在此表示衷心的感謝！