CCL內(nèi)玻纖與樹(shù)脂界面黏結(jié)間隙問(wèn)題研究

王必琳 王立峰 李超 陳錫強(qiáng)

（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523039）

0 引言

覆銅板（copper clad laminate，CCL）基材內(nèi)玻纖與樹(shù)脂界面黏結(jié)間隙問(wèn)題［1］，是指在掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）下觀察CCL 及印制電路板（printed circuit board，PCB）的切片時(shí)［2］，發(fā)現(xiàn)玻纖與樹(shù)脂間存在界面黏結(jié)間隙，如圖1所示。

圖1 E廠產(chǎn)品玻纖與樹(shù)脂界面出現(xiàn)明顯黏結(jié)間隙

在傳統(tǒng)的認(rèn)知中，對(duì)這種現(xiàn)象的解釋是由于玻纖與樹(shù)脂間浸潤(rùn)不良而導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。CCL 基材玻纖與樹(shù)脂間的黏結(jié)間隙可能會(huì)引起PCB 可靠性的下降，如PCB 濕流程中潮氣更易滲透進(jìn)而影響耐熱性。當(dāng)黏結(jié)間隙出現(xiàn)在不同網(wǎng)絡(luò)的通道間時(shí)，則會(huì)為銅離子的遷移提供天然的通道，減小有效絕緣距離。S廠產(chǎn)品在推廣制作A公司的轉(zhuǎn)接板（interposer）產(chǎn)品時(shí)，A 公司提出觀察S 廠產(chǎn)品黏結(jié)間隙，切片在離子研磨后，使用電鏡觀察玻纖和樹(shù)脂的結(jié)合情況，要求黏結(jié)間隙的比例（即出現(xiàn)黏結(jié)間隙的玻纖紗的根數(shù)/觀察的玻纖紗的總根數(shù)）＜5×10-4。在電鏡下觀察切片過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了掃描對(duì)焦過(guò)程中原本結(jié)合良好的玻纖與樹(shù)脂位置出現(xiàn)裂縫、變形現(xiàn)象。猜想其原因與電鏡的真空度、加速電壓、放大倍數(shù)、觀察時(shí)間等參數(shù)有關(guān)。本文根據(jù)以上猜想和疑問(wèn)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案并進(jìn)行驗(yàn)證和總結(jié)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與制樣

1.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

SEM，日立SU3800；離子研磨試驗(yàn)機(jī)，日立IM4000，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備

1.1.2 樣品準(zhǔn)備過(guò)程

①取樣：取5 組300 mm×300 mm 常見(jiàn)TgCCL，另取1 組不同浸潤(rùn)條件的中TgCCL。② 銑板：每組基板中間位置取一片15 mm×10 mm的樣品，共6 組。③切片制作：各組樣品進(jìn)行樹(shù)脂包埋固化，再經(jīng)機(jī)械研磨及機(jī)械拋光。④ 離子研磨：平面拋光，電壓6 kV，傾斜角5°，拋光 30 min。⑤ 研磨后在電鏡下觀察。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

表1 試驗(yàn)研究項(xiàng)目

2 不同條件下的試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)1：不同真空度條件

真空度是電鏡測(cè)試過(guò)程調(diào)試的關(guān)鍵參數(shù)之一［3］，低真空條件對(duì)于絕緣材料內(nèi)部微觀形貌的采集可有效避免荷電現(xiàn)象，提高圖像質(zhì)量。在高真空條件下，需要不導(dǎo)電材料鍍Pt 來(lái)避免荷電現(xiàn)象，最終獲得較高質(zhì)量圖像，見(jiàn)表2。

表2 不同真空度條件結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程及小結(jié)：設(shè)置固定加速電壓15 kV，工作距離9.9 mm，放大倍數(shù)10 000，相同觀察時(shí)間。低真空度30 Pa與高真空度進(jìn)行對(duì)比。同一個(gè)切片，觀察不同位置。低真空度下，A 態(tài)未見(jiàn)明顯異常，對(duì)焦1 min 不明顯，對(duì)焦2 min 時(shí)出現(xiàn)明顯的黏結(jié)間隙現(xiàn)象；高真空度下，A 態(tài)未見(jiàn)明顯異常，對(duì)焦1 min 出現(xiàn)明顯異常，對(duì)焦2 min 時(shí)出現(xiàn)較為明顯的黏結(jié)間隙現(xiàn)象。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，高真空度下更容易出現(xiàn)黏結(jié)間隙現(xiàn)象。

2.2 試驗(yàn)2：不同加速電壓條件

電鏡測(cè)試過(guò)程調(diào)試的關(guān)鍵參數(shù)之二為加速電壓。加速電壓對(duì)樣品微區(qū)采集深度、圖像分辨率、微區(qū)能量熱損傷都有不同程度的影響，不同加速電壓條件下結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同加速電壓條件下結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程及小結(jié)：設(shè)置相同的條件，工作距離5.5 mm，放大倍數(shù)10 000，低真空度30 Pa，低電壓與高電壓進(jìn)行對(duì)比。同一樣品不同位置進(jìn)行觀察，10 kV對(duì)焦1 min樣品幾乎沒(méi)有變化，15 kV對(duì)焦1 min 無(wú)明顯變化，30 kV 對(duì)焦20 s 即出現(xiàn)較明顯的黏結(jié)間隙現(xiàn)象。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，高電壓下更易出現(xiàn)黏結(jié)間隙問(wèn)題。

2.3 試驗(yàn)3：不同觀察時(shí)間

樣品的微區(qū)對(duì)焦觀察時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響微區(qū)高能電子束能量匯聚，進(jìn)而影響樣品微區(qū)熱損傷，如圖4所示。

圖4 不同觀察時(shí)間下的結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程及小結(jié)：設(shè)置固定加速電壓15 kV，高真空條件，工作距離5.5 mm，放大倍數(shù)10 000，觀察同一位置不同時(shí)間的玻纖與樹(shù)脂界面黏結(jié)情況。A 態(tài)下無(wú)明顯異常，對(duì)焦1 min 出現(xiàn)輕微異常的微裂紋現(xiàn)象，對(duì)焦2 min出現(xiàn)明顯的黏結(jié)間隙現(xiàn)象。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)黏結(jié)間隙現(xiàn)象更為明顯。

2.4 試驗(yàn)4：不同放大倍數(shù)

電鏡測(cè)試過(guò)程中，放大倍數(shù)的大小決定了樣品受熱損傷微區(qū)面積的大小，見(jiàn)表3。

表3 不同放大倍數(shù)下的結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程及小結(jié)：設(shè)置固定電壓15 kV，工作距離5.3 mm，高真空條件，相同的觀察時(shí)間。同一切片不同位置在6 000與10 000的放大倍數(shù)下觀察玻纖與樹(shù)脂界面黏結(jié)情況。由表3 可知，10 000 放大倍數(shù)下更容易出現(xiàn)黏結(jié)間隙現(xiàn)象。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，放大倍數(shù)越大，視野范圍越小，掃描電鏡電子束能量在樣品微區(qū)越集中，越容易形成黏結(jié)間隙。

由表3可以看出，在同等栽培管理?xiàng)l件下，不同濃度的ABT對(duì)插條的生根率、平均發(fā)根數(shù)、生根長(zhǎng)度有不同程度的影響，處理C1與對(duì)照的生根率一致，為最低，處理 C2、C3、C4的生根率和平均發(fā)根數(shù)依次提高，處理C2的生根平均長(zhǎng)度最長(zhǎng)。

2.5 試驗(yàn)5：不同工作距離

測(cè)試過(guò)程中，工作距離的大小決定了樣品距高能電子束的距離，進(jìn)而影響樣品微區(qū)熱損傷程度，見(jiàn)表4。

表4 不同工作距離下的結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程及小結(jié)：設(shè)置固定加速電壓15 kV，高真空條件，觀察時(shí)間與觀察倍數(shù)均一致，觀察不同工作距離的玻纖與樹(shù)脂界面黏結(jié)情況。由表4可知，工作距離為5.4 mm 時(shí)更容易出現(xiàn)黏結(jié)間隙現(xiàn)象。通過(guò)試驗(yàn)觀察可以發(fā)現(xiàn)，工作距離越小，樣品微區(qū)所承受的掃描電鏡電子束能量越高，越易出現(xiàn)黏結(jié)間隙現(xiàn)象，反之未出現(xiàn)異常。

2.6 試驗(yàn)6：不同浸潤(rùn)條件

為了考察如何從CCL 角度改善黏結(jié)間隙問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整上膠機(jī)的車速讓玻纖在膠槽中獲得不同的浸潤(rùn)時(shí)間，特制了不同浸潤(rùn)程度的樣品進(jìn)行對(duì)比。2 種樣品線速分別為23.9 m/min 和 15.3 m/min，見(jiàn)表5。

表5 不同浸潤(rùn)條件下的結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程及小結(jié)：設(shè)置固定加速電壓15 kV，高真空條件，觀察時(shí)間與觀察倍數(shù)一致，觀察玻纖與樹(shù)脂界面黏結(jié)情況。由表5 可知，線速 23.9 m/min 的樣品更易出現(xiàn)黏結(jié)間隙現(xiàn)象。通過(guò)試驗(yàn)觀察可以發(fā)現(xiàn)，浸潤(rùn)速度慢的效果相對(duì)更好，黏結(jié)間隙不易出現(xiàn)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，無(wú)論浸潤(rùn)速度快與慢都會(huì)出現(xiàn)黏結(jié)間隙現(xiàn)象。

3 試驗(yàn)結(jié)論

（1）材料自身浸膠可靠性問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致形成黏結(jié)間隙。在測(cè)試過(guò)程中不同的測(cè)試條件也會(huì)導(dǎo)致黏結(jié)間隙的形成，電鏡觀察過(guò)程中，由于高能量電子束流對(duì)樣品造成熱損傷，會(huì)導(dǎo)致玻纖與樹(shù)脂間產(chǎn)生黏結(jié)間隙，電鏡測(cè)試條件的熱損傷是非材料自身缺陷導(dǎo)致黏結(jié)間隙的一個(gè)主要原因。

（2）設(shè)置不同真空度，控制其他變量不變，發(fā)現(xiàn)低真空度下電子束對(duì)樣品的影響較小，高真空度下電子束更容易對(duì)樣品表面造成破壞，形成黏結(jié)間隙現(xiàn)象。

（3）設(shè)置不同加速電壓，控制其他變量不變，發(fā)現(xiàn)高加速電壓下更容易出現(xiàn)黏結(jié)間隙現(xiàn)象。

（4）設(shè)置不同時(shí)間長(zhǎng)度，針對(duì)同一樣品，樣品A 態(tài)未出現(xiàn)黏結(jié)間隙問(wèn)題，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，黏結(jié)間隙逐步形成。

（5）設(shè)置不同放大倍數(shù)，控制其他變量不變，發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)越大，電子束越為集中，越容易出現(xiàn)黏結(jié)間隙問(wèn)題。

（6）設(shè)置不同的工作距離，控制其他變量不變，發(fā)現(xiàn)距離越近，越容易出現(xiàn)黏結(jié)間隙現(xiàn)象。

（7）設(shè)置不同的浸膠時(shí)間，控制其他變量不變，發(fā)現(xiàn)浸膠時(shí)間長(zhǎng)的樣品樹(shù)脂與玻纖結(jié)合相對(duì)較好，但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，最終都會(huì)出現(xiàn)黏結(jié)間隙現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

CCL 基材內(nèi)玻纖與樹(shù)脂界面黏結(jié)間隙問(wèn)題是PCB 業(yè)界共同關(guān)注的“可靠性問(wèn)題”［4］。針對(duì)這一現(xiàn)象，如果材料本身存在問(wèn)題，毫無(wú)疑問(wèn)對(duì)后續(xù)質(zhì)量是有隱患的；而如果在電鏡觀察切片的過(guò)程中產(chǎn)生，則對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量則無(wú)影響。為了確認(rèn)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的方案及試驗(yàn)過(guò)程，制作切片進(jìn)行觀察，對(duì)電鏡下的黏結(jié)間隙問(wèn)題進(jìn)行了初步的研究，獲得了一些新的認(rèn)識(shí)。電鏡測(cè)試條件（如加速電壓、真空度、工作距離、觀察時(shí)間等參數(shù)）都會(huì)影響微區(qū)形貌的特征，因此依據(jù)不同樣品的特性選擇合適的電鏡測(cè)試參數(shù)也是必要的，避免產(chǎn)生技術(shù)上的判斷“誤區(qū)”。希望本文能對(duì)PCB同行有所幫助。