印制電路板加工中孔內(nèi)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(nèi)膠渣清除干凈、杜絕內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)品要求多樣化，對每款PCB產(chǎn)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(nèi)除膠的差異和規(guī)律，對板材除膠條件的選擇提供科學合理的參考依據(jù)。

1 研究內(nèi)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(nèi)除膠的差異和規(guī)律。

2 研究方案

2.1 試樣

使用介質(zhì)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(tài)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(fā)生在孔內(nèi)，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）?？芍變?nèi)除膠表面積=3.14159×孔徑×板厚×孔數(shù)，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(tài)的測試樣品銑出并標記區(qū)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(tài)測試樣品的設計

表1 除膠測試條件

3 研究結(jié)果及分析

試驗的各種除膠方案，表面除膠均未發(fā)現(xiàn)咬噬過度露玻纖的情況，說明除膠過程中樹脂被持續(xù)咬蝕，過程中除膠機理未發(fā)生變化，除膠過程正常，測試數(shù)據(jù)可靠。根據(jù)試驗結(jié)果，從不同角度對比分析。

3.1 等離子體除膠對板面與孔內(nèi)除膠的差異

等離子體除膠條件表現(xiàn)出一定規(guī)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(wěn)定。

等離子體除膠條件下，表面除膠大于孔內(nèi)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(zhì)狀態(tài)，有自由行程限制，基材表面離等離子體發(fā)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(nèi)基材離等離子發(fā)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(nèi)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(nèi)基材表面，對孔內(nèi)基材攻擊咬蝕變得更弱。

3.2 化學除膠對板面與孔內(nèi)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(nèi)除膠作用明顯，孔內(nèi)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(nèi)部，填料顆粒失去樹脂的黏結(jié)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(nèi)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(nèi)除膠速率相比表面除膠明顯增大，而等離子體除膠的孔內(nèi)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(nèi)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(nèi)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?？讖?.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(nèi)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(nèi)除膠速率比表面除膠速率增大，而等離子體除膠的孔內(nèi)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(shù)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(fā)現(xiàn)，單純等離子體除膠，無論表面還是孔內(nèi)都殘留較多的填料顆粒；單純一次水平除膠不能將孔內(nèi)鉆污清除干凈；等離子體除膠后經(jīng)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(shù)增加而減少（見圖7所示）?？梢娝匠z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?？梢娀瘜W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(nèi)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(nèi)除膠速率、孔徑為0.45 mm孔內(nèi)除膠速率，并計算孔內(nèi)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(nèi)，說明通常的板面除膠速率測試結(jié)果不能等同于孔內(nèi)除膠，需要乘以換算系數(shù)進行折算，以免孔內(nèi)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(jié)果，因此這兩種條件下的孔內(nèi)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(nèi)除膠速率與孔徑為0.3 mm孔內(nèi)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(xiàn)出相同的規(guī)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(yè)內(nèi)通常采用經(jīng)驗值法來判斷除膠條件，這種做法隨意性很大，對產(chǎn)品質(zhì)量要求較低的情況是可行的。但是產(chǎn)品質(zhì)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(nèi)，除膠速率過大或過小都不能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

除膠的作用是將孔內(nèi)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(nèi)除膠速率，再通過換算系數(shù)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(zhì)量=密度×體積，體積=表面積×厚度，即質(zhì)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(zhì)量、長度、寬度和厚度計算得出；孔內(nèi)除膠測試樣品因表面有銅箔保護，僅孔壁在除膠過程中發(fā)生重量損失，失去的重量即是孔內(nèi)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(nèi)除膠速率、孔內(nèi)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(yōu)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(nèi)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(nèi)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(nèi)除膠速率，我們希望知道孔內(nèi)除膠厚度對應要求的表面除膠速率是多少，通過孔內(nèi)除膠速率和表面除膠速率的換算系數(shù)計算出要求表面除膠速率，例如0.3 mm孔內(nèi)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(nèi)與板面除膠速率的對比換算

圖9 0.3 mm孔內(nèi)除膠厚度與孔內(nèi)除膠速率的關系

表2 0.3 mm孔內(nèi)除膠厚度要求的孔內(nèi)除膠速率

4 結(jié)語

通過除膠的研究對比得出如下幾點：

（1）孔內(nèi)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(nèi)除膠的情況，可以通過試驗研究其作用機理得到換算系數(shù)并進行修正。（2）依靠經(jīng)驗值法難以滿足高質(zhì)量除膠加工窗口要求，通過控制孔內(nèi)除膠厚度可以更準確直觀的控制除膠質(zhì)量。

以上初步探討了PCB材料孔內(nèi)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(fā)。

圖10 孔內(nèi)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(nèi)除膠速率和表面除膠速率的換算系數(shù)雖然是基于A材料得出的，但是它體現(xiàn)的是表面除膠和孔內(nèi)除膠的區(qū)別而不是材料的區(qū)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(shù)理論上可以統(tǒng)一以簡化應用（如等離子體除膠Plasma10、Plasma15、Plasma20、Plasma30換算系數(shù)為0.53～0.64），但需要重復試驗驗證以確認修正換算系數(shù)。