一種印制電路板孔內(nèi)除膠效果評估方法

歐陽川磊 王立峰 潘俊健

（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523000）

0 前言

業(yè)界困擾印制電路板（PCB）缺陷之一為內(nèi)層互連缺陷（ICD：Interconnection Defects），在生產(chǎn)過程中很難準(zhǔn)確有效的識別。對于PCB生產(chǎn)廠家而言，ICD 問題在電測工序較難有效攔截，往往是流到下游甚至是客戶端，在進(jìn)行 SMT 貼裝過程，PCB 經(jīng)歷無鉛回流焊、波峰焊接、以及一些手工焊或是返修等高溫制程的沖擊下，發(fā)生互連失效[1]，因而會(huì)產(chǎn)生極大的品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。而影響ICD失效的主要原因之一就是除膠（去鉆污）。

PCB制造過程中除膠工序就是去除孔壁膠渣，除膠工序主要采用除膠藥水或氣體去除孔內(nèi)鉆污。目前行業(yè)中評價(jià)除膠效果的主要指標(biāo)是使用稱重法表示除膠咬蝕深度，即除去的膠渣的質(zhì)量。除膠前后PCB的質(zhì)量差值就是除膠咬蝕深度，此方法只能評估除去膠渣量的多少，存在較大的誤差且無法準(zhǔn)確識別材料的真正除膠情況，無法直接體現(xiàn)孔內(nèi)實(shí)際除膠情況[2]，而且不同PCB厚徑比存在差異，往往在除膠后還要使用掃描電鏡（SEM）查看孔內(nèi)除膠情況，既增加成本又影響效率。現(xiàn)在PCB傳輸速率的要求越來越高，對材料損耗的要求也是進(jìn)一步提升，出現(xiàn)了甚低損耗（Very Low-loss）級別的基材，這類型的材料往往使用的是特殊樹脂，如PPO（聚苯醚）、氰酸酯、PTFE（聚四氟乙烯），這類材料主要使用等離子體（Plasma）除膠。普通的除膠測量方法不能滿足此類材料的檢測需求，為了更高效又準(zhǔn)確的檢測此類材料除膠后（等離子體+化學(xué)去鉆污）孔內(nèi)實(shí)際除膠情況，我們開發(fā)了以下檢測方法。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)1

試驗(yàn)1具體介紹如下幾點(diǎn)。

1.1.1 標(biāo)準(zhǔn)小樣基本信息

材料：甚低損耗及常規(guī)FR-4基材，如圖1所示；試樣層數(shù)28，板厚4.40 mm，鉆孔直徑0.2 mm及0.3 mm，使用鉆頭金洲USF系列。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)小樣圖

1.1.2 等離子體信息

參數(shù)為安普特機(jī)臺(tái)FR-10、FR-15、FR-30程序；主要考察四氟化碳時(shí)間10 min、15 min、30 min，如圖2所示。

圖2 等離子體程序明細(xì)表圖

1.1.3 等離子體效果

等離子體效果對比：經(jīng)驗(yàn)證，孔口孔內(nèi)A態(tài)與等離子體處理后樹脂咬蝕很明顯，如圖3所示。

1.1.4 平均咬蝕深度

從平均咬蝕深度來看甚低損耗板與常規(guī)FR-4樣品受等離子體處理時(shí)間影響咬蝕深度呈遞增趨勢，如圖4所示，且受孔徑影響，孔徑越大咬蝕深度越大，常規(guī)FR-4咬蝕深度明顯大于甚低損耗板，符合正常咬蝕規(guī)律。

圖4 平均咬蝕深度圖

1.1.5 孔口孔內(nèi)平均咬蝕深度

從孔口與孔內(nèi)平均咬蝕深度的對比來看，孔口咬蝕深度大于孔內(nèi)咬蝕深度，如圖5所示。

圖5 孔口孔內(nèi)平均咬蝕深度圖

1.1.6 小結(jié)

（1）從此次數(shù)據(jù)來看孔口咬蝕深度大于孔內(nèi),與等離子體處理時(shí)間成正比[3]，符合規(guī)律（甚低損耗板目前推薦生產(chǎn)參數(shù)為FR-30）；

（2）“灌孔率”與電鍍時(shí)計(jì)算孔銅“鍍通率”類似，公式：孔中心咬蝕深度（W1）/孔口咬蝕深度（W2）×100%；

（3）等離子體“灌孔率”和咬蝕深度受氣體流量、板材厚徑比、以及插架位置、滿載率、板料等綜合因素影響，在不同情況下，咬蝕深度有波動(dòng)，所以此方法只評估最小孔徑孔中心的平均咬蝕深度，從而判斷后續(xù)是否存在ICD風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)2

為了觀察此方法在不同設(shè)備和程序下是否呈現(xiàn)相同規(guī)律，我們使用相同的測試小樣模塊在恒格設(shè)備除膠程序與安普特-D程序，使用相同四氟化碳處理時(shí)間15 min進(jìn)行第二輪驗(yàn)證，使用程序，如圖6所示。

圖6 等離子體程序明細(xì)圖

1.2.1 等離子體效果監(jiān)控

等離子體效果對比：孔口孔內(nèi) A態(tài)與等離子體處理后樹脂咬蝕情況，如圖7所示。

圖7 等離子體前后對比圖

1.2.2 平均咬蝕深度

平均咬蝕深度，相同參數(shù)下受孔徑影響，孔徑越大咬蝕深度越大，符合規(guī)律，但恒格平均咬蝕量大于安普特，如圖8所示。

圖8 平均咬蝕深度圖

1.2.3 孔口孔內(nèi)平均咬蝕深度

從孔口與孔內(nèi)平均咬蝕深度數(shù)據(jù)來看，相同數(shù)據(jù)下恒格與安普特差異較為明顯，如圖9所示。

1.2.4 小結(jié)

（1）此次驗(yàn)證說明了使用相同材料在不同品牌機(jī)器和相同的除膠時(shí)間情況下“灌孔率”和咬蝕深度會(huì)有較大差異，所以我們的關(guān)鍵控制點(diǎn)為最小孔徑孔中心的咬蝕深度；

（2）孔口位置咬蝕深度普遍大于孔內(nèi)，在不同品牌設(shè)備同一程序下也成立。本次驗(yàn)證顯示不同等離子體機(jī)臺(tái)灌孔率有差異，可能出現(xiàn)孔口咬蝕過度而孔中咬蝕不足的情況，金屬化孔后會(huì)存在其他質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，證明此方法也可用于考察機(jī)臺(tái)“灌孔”能力。

2 檢測方法

通過以上實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論我們對檢測方法進(jìn)行了如下總結(jié)，在對PCB進(jìn)行等離子體（Plasma）后，使用孔內(nèi)樹脂咬蝕深度評估除膠效果。經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，具體操作方法如下。

2.1 試樣制作

PCB過等離子體工序后，選擇板邊陣列或附連測試板最小孔制作標(biāo)準(zhǔn)小樣，厚徑比與生產(chǎn)板接近，不做灌膠處理，切片研磨孔后做超聲波清洗3 min。

處理流程：標(biāo)準(zhǔn)樣品或PCB板邊試樣切片→等離子體（加Desmear組合）→切片（不做灌膠研磨）→超聲波水洗（清潔研磨切片時(shí)的雜物）→微蝕→測量

2.2 測量方法

（1）基材寬度測量的是純樹脂位置（奶油層），而非玻纖位置，因?yàn)椴＠w位置在鉆孔時(shí)有可能被拉扯導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常；

（2）鉆孔后銅寬度與基材寬度基本一致，即使有差異也是銅突出0.5～1.0 μm，切片研磨后超聲波清洗就是為了清理因研磨導(dǎo)致的銅屑干擾，并且受等離子體處理粉塵化的樹脂也能夠得到清潔，未受等離子體咬蝕的樹脂不會(huì)因?yàn)槌暡ㄋ炊袈?，從而保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

（3）通過顯微鏡分別測量兩孔間中心位置的銅環(huán)和樹脂寬度，計(jì)算公式：（W1銅環(huán)寬度-W2樹脂寬度）/2＝孔內(nèi)除膠深度，如圖10與圖11所示；

圖10 測量方法示意圖

圖11 實(shí)際測量

（4）測量兩孔間中心位置銅環(huán)與樹脂寬度至少三處，層數(shù)較少的PCB可測量三個(gè)孔，至少取三個(gè)位置數(shù)據(jù)的平均值，得到的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，經(jīng)多次驗(yàn)證，孔中心位置咬蝕深度等離子體≥2 μm，等離子體加Desmear≥2.5 μm，基本上可以避免ICD問題。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過以上試驗(yàn)證明此方法可以替代傳統(tǒng)的“稱重法”，能夠較為快速并準(zhǔn)確地反映孔內(nèi)等離子體咬蝕深度；等離子體氣體在孔口交換率大于孔中心，受PCB厚徑比的影響，板越厚孔越小“灌孔率”越低，板越薄孔越大“灌孔率”越高。

（2）判斷ICD風(fēng)險(xiǎn)主要取最小孔徑孔中心的咬蝕深度作為衡量的數(shù)據(jù)，同一孔徑至少取三組以上數(shù)據(jù)來保證測量的準(zhǔn)確性；也可以利用此方法取相同厚徑比材料在不同機(jī)臺(tái)上使用相同程序，評估等離子體機(jī)臺(tái)“灌孔率”差異；“灌孔率”越高，孔形也會(huì)越好，反之則可能出現(xiàn)孔口除膠過度，孔內(nèi)除膠不足的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致其它孔內(nèi)異常問題；

（3）此方法建議用來檢測高多層PCB并且使用的是M6級別及以上的高頻高速材料，也適用于檢測等離子體加化學(xué)去鉆污（Desmear）的組合除膠方式；因Desmear一般的咬蝕深度太小，不建議單獨(dú)做Desmear時(shí)使用此方法檢測。