陶瓷填充PTFE高頻混壓板通孔等離子體去鉆污參數選擇

劉 根 戴 暉 劉喜科 楊慶輝

（梅州市志浩電子科技有限公司，廣東 梅州 514000）

0 引言

在5G通信發展趨勢下，要求高頻信號、高速完整性傳輸的低損耗、低延遲，則必須選用低損耗、低Dk/Df、耐高溫的高頻板材，能夠滿足上述要求且最為常用的是聚四氟乙烯（PTFE）基材。但是由于高頻板材價格相對昂貴，終端客戶從節約成本角度考慮，采用混壓疊構設計，必要的信號層采用PTFE/陶瓷結構的高頻覆銅板，以滿足信號傳輸完整性以及傳輸速度等要求，其它層則采用常規FR-4覆銅板。由于材料本身屬性的差異性及結構的不對稱，加工過程中會出現諸如板翹、分層爆板及孔金屬化不良等品質問題。本文針對孔金屬化不良品質問題，通過理論和實驗對陶瓷填充PTFE+FR-4混壓板的等離子體（plasma）處理工藝進行探討，研究等離子體去鉆污參數對陶瓷填充PTFE高頻混壓板去鉆污量的影響。

1 等離子去鉆污原理介紹

等離子體是以電感耦合等方式產生的具有高能量和高活性的由電子、離子、自由基、光子及其他中性粒子組成的混合氣相體，等離子體被稱作為物質的第四種狀態。由于等離子體中的電子、離子和自由基等活潑粒子的存在，因而很容易與基材表面發生反應，這種反應可分為物理反應和化學反應。物理反應表現為等離子體中的離子在電場中獲得能量去撞擊表面，使污染物從表面去除；此外，表現的物理濺射能夠改變表面的微觀形態，改善表面的黏結性能。化學反應即通過等離子體自由基參與的化學反應來實現表面清洗。等離子體中的自由基具有很強的化學活性，能降低反應的活化能，從而有利于化學反應的進行。反應產生的揮發產物會脫離表面，因而表面污染物被清除。

在真空電場下，等離子體形成方程式見式（1）。

等離子體與高分子材料（C、H、O、N）反應方程式見式（2）。

其中一個重要的副反應見式（3）。

等離子體清洗技術在PCB制作中的應用日趨成熟。因傳統濕法化學工藝不適合處理混壓在同一塊板的PTFE和其他樹脂，等離子體工藝能夠改變PTFE材料表面和去除樹脂殘余。等離子體工藝避免了傳統濕法化學工藝膨松劑對孔壁玻纖位置的攻擊，能夠大幅降低玻纖發白和分層異常等內層互連缺陷（ICD），對預防陽極離子遷移（CAF）也有極大的優勢。等離子體工藝的有效性取決于等離子體氣源、等離子系統的組合以及等離子去鉆污參數。因此，研究等離子去鉆污參數對陶瓷填充PTFE高頻混壓板加工具有理論指導和現實意義。

2 實驗

2.1 試樣和設備

為了研究陶瓷填充PTFE與FR-4材料混壓板等離子體處理通孔一致性，本實驗設計FR-4/PTFE/FR-4混壓四層測試板，壓合疊構如圖1所示，其中陶瓷填充PTFE覆銅板選用旺靈F4BM-2（0.50 mm，不含銅，35 μm/35 μm/）基材；FR4選用生益S1000 1080 PP。主要設備為寶豐堂等離子機。

圖1 壓合疊構示意圖

2.2 實驗工藝流程

實驗工藝流程見圖2所示。

2.3 實驗設計

圖2 實驗工藝流程圖

通過稱重法取得設有不同孔徑的板件孔壁平均去鉆污量。在板件上鉆出不同孔徑的球柵網絡陣列封裝（BGA）區域，并沿周圍銑槽，銑出試片烘干并稱重，然后用高溫膠帶包裹試片四邊樹脂截面，再嵌回板中，做等離子去鉆污，模擬板件加工情形。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。試片有效加工面積：S=πDLN，其中D為鉆孔孔徑，L為板厚，N為鉆孔數量。試片去鉆污量W=W1–W2，W1是試片等離子體前的重量，W2是試片經等離子體后的重量。則試片的單位面積去鉆污量表示為：a=W/S。

本實驗中將研究電極功率、有效除膠時間和溫度等離子去鉆污參數對去鉆污效果的影響。等離子加工參數如表1所示，其他參數按照表2進行加工。收集plasma測試數據后，將板件用銅絲重新綁在PCB上，進行沉銅、電鍍，切片分析去鉆污效果。業界去鉆污量一般控制在0.15 mg/cm2～0.60 mg/cm2，本次實驗期望將去鉆污量控制在0.20 mg/cm2～0.60 mg/cm2之間，以保證加工產品的質量穩定。

2.4 經等離子體金屬化通孔的孔壁質量表征

以孔粗、芯吸、層間分離缺陷（ICD）來表征經等離子體處理過的通孔孔壁質量。孔粗測量時，以孔壁內面為基準，測量其深入樹脂最大點值為孔壁粗糙度值，要求孔粗小于30 μm。芯吸測量時，以孔最內壁為基準，測其深入樹脂直至芯吸實銅區消失處最大值為芯吸值，對芯吸要求不超過80 μm。ICD則通過微切片微蝕后顯微鏡下檢測判定。

3 結果與討論

3.1 電極功率對單位面積去鉆污量的影響

研究電極功率對單位面積去鉆污量的影響，實驗設計電極功率為5 kW至 8.5 kW變化，有效除膠時間、溫度固定。實驗條件及測試結果如表3所示。

如圖3所示，隨著電極功率的增加，單位面積去鉆污量呈指數級增加，不同電極功率下的單位去鉆污量均在預期的范圍內。電離氣體需要一定的能量使氣體呈現為激發態，而能量在等離子機中則表現為電極功率。電極功率直接影響著等離子體的產生的數量和質量，電極功率越高，電極電離出的等離子體越多，電離效果越充分，孔壁的去鉆污效果也就越好。提高電極功率，等離子去鉆污的效率將會提升。

表1 試驗方案設計表

表2 試驗方案參數表

表3 電極功率對單位面積去鉆污量的影響

圖3 電極功率對單位面積去鉆污量的影響曲線

經切片分析，隨著電極功率的變化，試片孔內去鉆污效果良好，沒有出現ICD等異常現象，隨著電極功率的增大至8.5 kW時，孔壁的凹凸度增大，芯吸明顯，如圖4所示。主要原因是電極功率加大，主反應式（1）和式（2）速率加快，等離子體咬蝕樹脂的速度加快，但是副反應式（3）速率較慢，即HF與陶瓷玻纖（SiO2）的反應速度無法與樹脂蝕刻速率保持一致，進而出現陶瓷玻纖突出等現象。為了獲得陶瓷填充PTFE+FR-4混壓板孔內形貌的一致性，應建立等離子單位除膠量與孔內形貌的匹配性機制，實現在保證除膠干凈的同時也減少對陶瓷玻纖的攻擊。

3.2 有效除膠時間對單位面積去鉆污量的影響

研究有效除膠時間對單位面積去鉆污量的影響，實驗設計有效除膠時間為5 min至 25 min變化，電極功率和溫度固定。實驗條件及測試結果如表4所示。

圖4 電極功率影響切片（A）無ICD現象；（B）孔壁凹凸增大芯吸明顯）

如圖5所示，隨著有效除膠時間的增加，單位面積去鉆污量同樣呈指數級增加。當有效除膠時間大于5 min且不超過20 min時，單位去鉆污量在預期的范圍內。當有效除膠時間5 min時，去鉆污量不足，發生了輕度ICD現象，如圖6（A）所示。當有效除膠時間為25 min時，單位面積去鉆污量達0.785 mg/cm2，超過了業界的標準0.6 mg/cm2，容易出現明顯芯吸等現象，如圖5（B）所示，對后續PCB的加工可靠性產生影響。所以可通過控制plasma有效除膠時間在10～20 min范圍內，以控制單位面積去鉆污量，此外，還要考慮板件的可靠性與穩定性，對于不同類型的板件進一步優化選擇合適的參數。

3.3 除膠溫度對單位面積去鉆污量的影響

研究除膠溫度對單位面積去鉆污量的影響，實驗設計除膠溫度40 ℃至80 ℃變化，有效除膠時間和電極功率固定。實驗條件及測試結果如表5所示。

如圖6所示，單位面積去鉆污量隨著除膠溫度的增加同樣呈指數形式增加。當除膠溫度不低于50 ℃且小于80 ℃時，單位去鉆污量在預期的范圍內。溫度是化學反應的極其重要影響，提高溫度，可以極大提升反應的速率。在等離子體去鉆污的過程中，提高除膠溫度對于ICD有改善作用。當除膠溫度50 ℃時，去鉆污量不足，發生輕度ICD現象；當除膠為80 ℃時，單位面積去鉆污量達0.752 mg/cm2，超過了業界的標準0.6 mg/cm2，容易出現明顯孔粗、芯吸等現象，如圖8所示，對后續PCB的加工可靠性產生影響。

表4 有效除膠時間對單位面積去鉆污量的影響

圖5 有效除膠時間對單位面積去鉆污量的影響曲線

圖6 有效除膠時間導致的輕度ICD現象（A）、芯吸現象（B）

圖7 除膠溫度對單位面積去鉆污量的影響曲線

表5 除膠溫度對單位面積去鉆污量的影響

圖8 除膠溫度導致的芯吸現象

從孔粗、芯吸、層間分離三個指標表征結果可知，等離子體電極功率直接影響著等離子體產生的數量和質量，電極功率越高，電極電離出的等離子體越多，電離效果越充分，孔壁的去鉆污效果也越好，且品質穩定可控的可操作性大；電極功率可以作為提升生產效率的易控制方式，提升電極功率，以期縮短除膠時間、降低除膠溫度。因等離子體加工過程主要依賴化學反應，溫度是化學反應的極其重要影響因子之一，提高溫度，可以快速提升反應的速率，當除膠溫度過低時，去鉆污量不足，易發生ICD現象；當除膠溫度過高時，單位面積去鉆污量容易突破業界標準上限，出現孔粗、芯吸等現象，因此，除膠溫度是一個控制相對苛刻的參數，特別是陶瓷填充PTFE高頻混壓板，其品質穩定可操作空間進一步被壓縮，不同材料屬性有差異，溫度影響反應具有立竿見影的效果。有效除膠時間并不如除膠溫度相對嚴苛，其品質穩定可操作空間較大。綜上所述，采用電極功率為8 kW，除膠溫度70 ℃，有效除膠時間為15 min，從孔粗、芯吸、層間分離來表征經等離子體處理的金屬化通孔孔壁質量均無異常。經熱應力測試，測試條件為288 ℃，10 s，3次，測試結果無爆孔、分層爆板等品質異常。

4 結論

本文通過研究等離子體電極功率、有效除膠時間和除膠溫度對陶瓷填充PTFE高頻混壓板去鉆污量的影響，從孔粗、芯吸、層間分離指標表征通孔的孔壁質量，得到了一系列等離子體加工參數與單位面積去鉆污量的函數關系。

結果表明等離子體處理采用較高的電極功率、適當除膠溫度、一定除膠時間，可達到高頻混壓板等離子單位去鉆污量與孔內形貌相匹配。