等离子对刚挠结合印制板用材料蚀刻的均匀性及其机理研究(期刊论文).pdf

2010秋季国际pc b技术/信息论坛 6 覆铜箔层压板 ccl 挠性印制电路板 fpcb 等 离 子 对 刚 挠 结 合 印 制 板 用 材 料 蚀 刻 的 均 匀 性 及 其 机 理 研 究 paper code: a- 135 周国云何 为王守绪 电子科技大学应用化学系 莫芸绮毛继美陈 浪何 波 珠海元盛电子科技股份有限公司技术中心 摘要等离子清洗是刚挠结合板去钻污的最重要的一个过程，它影响着镀铜与孔壁表面之间 的结合力。获得平整、均匀的表面是金属化孔可靠性的重要保证。本文将从等离子机 的腔体空间的均匀性、等离子机蚀刻时间的均匀性等研究着手，为等离子蚀刻均匀性 研究提供可靠的实验环境。通过等离子蚀刻刚挠结合板不同材料的实验，并利用均匀 设计的方法获得刚挠结合板用聚酰亚胺、丙烯酸胶及环氧树脂等不同材料的蚀刻速率 与等离子蚀刻参数之间的非线性拟合关系。最后再根据方程进行讨论，获得刚挠结合 板用材料蚀刻均匀性的参数。根据实验中，实验分析中出现的各种现象，本文等离子 蚀刻提出最合理的机理解释，并使用该机理定性纠正非线性拟合方程中的拟合偏差。 关键词等离子；刚挠结合板；去钻污；均匀设计 中图分类号：tn41文献标识码：a文章编号：1009- 0096（2010）增刊- 0206- 09 research of etching uniformity of varied materials in rigid- ex circuit board and its mechanism zhouguo-yunhewei wang shou-xumo y un-qi mao ji-mei chenlanghebo abstractplasma cleaning is a crucial technology for the desmear of rigid- ex circuit board, since the desmear largely in uences the combinability of plating copper and the wallside of drilling hole. smooth and uniform wallside is the basic of the reliability of metallization drilling hole. in this paper, the space uniformity in plasma cavity and the time unifromity in the etching process were studied to eliminate environmental in uences for the next experiments. the nonlinear regression equations between different materials and the parameters in plasma desmear were respectively obtained by uniform design. finally, the equations were analyzed to achieve the parameters for the etching uniformity of different materials in rigid- ex circuit board.itmechaism and the mechasim application was also studied in this paper. key wo rd splasma; rigid- ex circuit board; desmear; uniform design 1前言 随着电子技术的发展，尤其是电子组装技术的迅速进步，一般的刚性印制电路板已经很难满足电子产品 -20 - 覆铜箔层压板 ccl2010秋季国际p cb技术/信息论坛 挠性印制电路板 fpcb “轻、薄、短、小”的发展要求。挠性印制电路板由于其轻薄可挠曲短小而能够适应印制电路板的发展方向， 但对分立电子元器件的支撑能力却不理想59。因此，现在一般是使用焊接方式将两片或两片以上的硬板用挠性 板连接，从而达到轻薄、可挠曲、元器件易安装等目的。但这类结构印制板易因焊接而出现可靠性问题。刚挠 结合板是通过金属化孔实现挠性板与刚板之间的电气连接。这即进一步提高了印制板向轻薄短小方向发展，又 保证了刚挠板之间电气连接的可靠性，还大大地降低生产成本13。 刚挠结合板金属化孔是软板硬板电气连接可靠性的重要保证5。其孔壁主要由环氧玻璃布、聚酰亚胺及丙烯 酸胶等三种材料组成。三种材料在不同等离子清洗参数环境下，其蚀刻速率不同。三种材料蚀刻速率的差别对 印制电路板孔壁的平整度影响非常大68。所以，本文通过均匀设计的方法来测定三种材料在不同等离子氛围的 蚀刻速率，为孔壁的平整性提供前期保证。获得可靠性的数据前提是保证相同的实验具有可重现性。由于等离 子机在不同的空间位置，不同的时间蚀刻速率不一致，因此，本文对等离子机的空间均匀性及时间均匀性也进 行了系统的研究，为后期实验提供了可靠的环境基础。 2实验过程 2. 1实验仪器及材料 plasma etch等离子清洗机、电子分析天平、螺旋千分尺 18/0.2 fr-4单面覆铜板（环氧材料）、18/25压延pi无卤素单面覆铜板（聚酰亚胺材料）、35/25/35有胶压延 pi双面板（丙烯酸胶材料） 2. 2等离子机空间均匀性研究 在plasma etch等离子机中，o2、cf4气体从等离子机腔体的前门中央线中的均匀小孔进入，废气从腔体的背 部中心被抽走，所以，o2、cf4形成的等离子气体在腔体内分布必然是不均匀的。 本实验将使用20 mm400 mm条形单面挠性覆铜板（过大的聚酰亚胺覆铜板中心的等离子蚀刻速率与边缘不 一致）分布在腔体同一隔板的不同位置。然后在o2流量为500 ml/min、cf4为200 ml/min，功率为2400 w，温度为 150 f，时间为20 min的参数条件下进行蚀刻，试验后，使用螺旋千分尺分别测试覆铜板条沿x轴方向0、50 mm、 100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm、350 mm、400 mm不同位置处的厚度。覆铜板条具体的放置方 式及测试位置参考如下图1所示。 单位：mm 图1 覆铜板条放置位置图 2. 3等离子机时间均匀性研究 plasma etch等离子清洗机在不同的时间段，蚀刻速率不同。本文将通过测试环氧树脂在不同时间相同等离子 -207- 2010秋季国际pc b技术/信息论坛覆铜箔层压板 ccl 挠性印制电路板 fpcb 气氛下的蚀刻速率，寻找等离子清洗最稳定的时间段，为后期试验提供可靠的环境基础。 实验中取100 mm250 mm，厚度为0.2 mm的fr-4作为实验材料。实验前，使用酒精清洁材表面，待酒精挥 发后，使用电子分析天平称量并记录其重量。等离子待机预热后，使用cf4：200 mm/min、o2：500 mm/min，功 率2400 w，温度：65.5 （150f）、时间20 min的参数，将上述材料放置于固定的极板上进行蚀刻。实验后， 同样使用电子分析天平称重记录。两次数据之差得出了蚀刻的重量。共进行7次实验。关闭等离子机，待机器完 全冷却后进行重新开机进行第二组。称量，记录，共进行7次实验。 2. 4等离子对刚挠结合板不同材料蚀刻均匀性研究 刚挠结合板通孔孔壁主要有聚酰亚胺、环氧树脂及丙烯酸胶等三类有机材料组成。它们与等离子的反应速 率都不一样。为研究三种材料的蚀刻速率与等离子氛围之间的关系，本实验选用100 mm250 mm的18/0.2 fr-4 单面覆铜板（环氧材料）、18/25压延pi无卤素单面覆铜板（聚酰亚胺材料）、35/25/35有胶压延pi双面板（腐蚀 一面的铜箔，得到丙烯酸胶材料）作为实验材料，以均匀分析方法为基础建立相应的模型进行分析。 前期的不断探索结论表明，cf4：o2之比对三类材料的时刻速率影响都是最大。所以，在模型建立中，考 虑的影响因素有cf4：o2的比例、cf 4和o2的总流量及rf（射频）功率。本实验通过重量法来确定材料不同等 离子氛围的时刻量。实验前，使用酒精擦拭材料的正反面，待酒精挥发完后，使用电子分析天平称量，记录重 量。然后按照模型实验安排表1的实验参数进行等离子蚀刻，蚀刻完后，使用酒精擦拭材料的正反面，称量，记 录重量。两次重量之差即为材料在20 min内的蚀刻速率。本实验在2.2，2.3研究结论的时间及空间内进行，模型 实验安排如下表1所示： 3实验结果与讨论 3. 1腔体内等离子气体蚀刻的空间分布 使用酒精将单面覆铜挠性板擦拭干净，然后用螺旋千分尺测量各覆铜板条不同位置的厚度，千分尺测量规 定为拧动两格的力度，测试结果如表2。 -208- 覆铜箔层压板 ccl2010秋季国际p cb技术/信息论坛 挠性印制电路板 fpcb 将表2绘制成3d的条形图，可以明朗地看到腔体等离子在腔体隔板上的分布情况，如图2所示。从图2可以看 出，等离子气体在抽气处附近的蚀刻速率最快。相比中心部分位置，等离子在腔体隔板边缘附近的蚀刻速率最 快。在中心部分位置，等离子气体在各处蚀刻比较均匀，蚀刻速率相近。从图得出，在x轴50 mm 350 mm，y 轴-250 mm 250 mm的的区域内，等离子蚀刻速率相近，等离子气体氛围分布相似。因此，等离子对刚挠结合 板不同材料蚀刻均匀性研究实验中，实验材料放置在此区域内。 图2 腔体半空间内条形覆铜板蚀刻后厚度分布图 3. 2等离子气体情况与时间的关系 计算等离子机时间均匀性研究中样品蚀刻前后的重量之差，共有两组实验，每组实验进行7次，如表3。 -209- 2010秋季国际pc b技术/信息论坛覆铜箔层压板 ccl 挠性印制电路板 fpcb 将表3绘制成蚀刻量与次数（时间）的关系图，得到图3。 图3 不同次数（时间）的等离子蚀刻量关系图 从图3可以看出，每组的七次实验中前两次实验都不稳定及最后一次都不稳定，变化较大，中间四次实验， 即第3次至第6次变化较小，比较稳定。所以，选择这一时段，作为等离子蚀刻均匀研究实验的时间段，即40 min 120 min时间内。 3. 3不同等离子参数与三种材料蚀刻速率之间的关系 表1实验中，将实验分成三组，每组进行4次实验，分别在开机后的第36次中。等离子时刻后，计算实验材 料前后的重量差，得到了不同等离子参数各种材料在20 min内的蚀刻量。表1中，pi代表聚酰亚胺的蚀刻量，ad 代表丙烯酸胶的蚀刻量，而fr-4代表环氧树脂的蚀刻量。使用优化设计模型的分析方法，利用minitab软件将三 种材料的蚀刻量与等离子参数进行方程拟合 2，得到如下方程： 0.025 m 2的聚酰亚胺（pi）在20 min内的蚀刻量与等离子蚀刻参数之间的关系见式（1）。 （1） 方程中：xt代表o2与cf2的总流量，xp代表cf2与o2之间的比例。在方程中，没有rf功率项，是因为该项 对聚酰亚胺的蚀刻量贡献很小，可以忽略不计。 方程（1）中的相关系数为：r0.913。方程中各项方差及其显著性如表4所示。 -210- 覆铜箔层压板 ccl2010秋季国际p cb技术/信息论坛 挠性印制电路板 fpcb 其中：f 0.01(1,7) 12.3 f 0.05(1, 7)5.6f0.01(4, 7) 7.9f 0.05(4, 7)4.1 显著性：* 非常显著；* 显著； 不显著 从表4可以看出，该方程的置信度p在相关系数为0.913时为0.001，可信度非常高，方程（1）可信 2。 0.025 m 2的丙烯酸胶（ad）的20 min内的蚀刻量与等离子蚀刻参数之间的关系见式（2）。 （2） 在方程中，没有rf功率项，是因为该项对丙烯酸胶的蚀刻量贡献很小，可以忽略不计。 方程（2）的相关系数为：r0.914。方程中各项方差及其显著性如表5所示。 从表5可以看出，该方程的置信度在相关系数为0.914时为0.004，可信度非常高，方程（2）可信 2。 0.025 m2的环氧树脂（fr-4）20 min内蚀刻量与等离子蚀刻参数之间的关系见式（3）。 （3） 在方程中，没有rf功率项，是因为该项对环氧树脂的蚀刻量贡献很小，可以忽略不计。 式（2）的相关系数为：r0.924。方程中各项方差及其显著性如表6所示。 -211- 2010秋季国际pc b技术/信息论坛覆铜箔层压板 ccl 挠性印制电路板 fpcb 从表5可以看出，该方程的置信度在相关系数为0.924时为0.003，可信度非常高，方程（3）可信 2。 为了便于认识聚酰亚胺蚀刻量（速率）与等离子蚀刻参数之间的关系，将方程（1）绘制成3d图形，得到图4： 图4 聚酰亚胺蚀刻量与各实验参数之间的关系图 从图4可以看出，在确定气体比例下，聚酰亚胺的蚀刻量（速率）与气体的总和成正比关系。在确定的气体 总流量下，聚酰亚胺的蚀刻量先增加，然后缓缓降低，其降低速率比比例小时增加速率慢很多。最大蚀刻量的 比例见式（4）。 （4） 得出： xp =0.373 为了便于认识将丙烯酸蚀刻量与实验参数之间的变换趋势，将式（2）中不同的气体总量下的2维图形绘制 如图5所示。 图5 丙烯酸胶在不同气体总流量下的蚀刻量（速率）与气体比例之间的关系 从图5可以看出，丙烯酸胶的蚀刻量（速率）随实验参数与聚酰亚胺相似，不过，不同气体总量下，丙烯酸 -212- 3 覆铜箔层压板 ccl2010秋季国际p cb技术/信息论坛 挠性印制电路板 fpcb 胶的最大蚀刻量所需的气体比例却不断地变大，但变化不大。 式（3）与式（2）形式一致，只是各项的常数项不同，所以，环氧树脂蚀刻量（速率）与实验参数之间的 关系与丙烯酸类似。 将三种材料的蚀刻量与气体比例的关系绘制在一起，如图6所示，图中绘制的是气体总量为700 ml/min下的 关系图。 图6 700ml/min总气体流量下三种材料与气体比例关系图 从图6可以看出，在700 ml/min的总气体流量下，三种材料在气体比例0.4附近蚀刻量为最大，蚀刻速率最 快。 一般情况下，气体比例设置在0.200.90之间，比例过高过低蚀刻速率都太慢，影响实际生产效率。从图6可 以看出，在该范围内，气体比例设置在0.40.5之间，三种材料的蚀刻量相差最小。所以，在实际的生产中，等 离子清洗刚挠印制电路板应将将cf4与o2气体比例设置在0.40.5之间。 三种材料的蚀刻量或蚀刻速率随气体总量的变化呈比例增加。选择气体总流量时，综合考虑生产效率，生 产成本等各个因素，设定其值不超过1000 ml/min。 等离子rf功率对蚀刻速率影响较小，但功率的大小会影响到刚挠印制板的蚀刻时的温度，功率越大，温度 越高7，所以要综合考虑各个因素，设置合理的rf功率。 3. 4等离子清洗或蚀刻机理研究 在2.4实验中，cf4：o2的比例对三种材料的蚀刻速率影响最大。其蚀刻速率随着cf4的比例增加先增加，然 后随着o2的比例减少而减少。 在其他实验中还发现，纯氧气，或cf4气体比例特别大时，蚀刻反应几乎不进行 4。 为此，假设cf4在蚀刻过程中没有与聚酰亚胺，丙烯酸胶及环氧树脂发生化学反应生成最终产物，只是起 到活化剂的作用。cf4形成的cf 3+，f-等离子与聚酰亚胺，丙烯酸及环氧树脂等材料只生成活性较高的化学态物 质，这些活性物质然后与o2形成的等离子发生化学反应，生成co，co2及h2o等气态物质。而o2在没有cf4很难 反应，或反应速率非常慢。所以，等离子蚀刻的反应速率v是由两部分决定的，即式（5）。 （x0,y0）（5） 其机理可由示意图见图7说明。 -21 - 2010秋季国际pc b技术/信息论坛覆铜箔层压板 ccl 挠性印制电路板 fpcb 图7 等离子蚀刻反应机理示意图 从图7可以看出，该假设能很好地符合2.4中的实验结果及等离子蚀刻中发生的现象。这说明该机理在解释此 实验中具有很强的合理性。 在图4中，当cf4比例很大时，拟合方程显示，聚酰亚胺的蚀刻量随着cf4比例增加而增加。根据此机理，可 以很好地纠正该拟合方程出现的误差。可以判断，聚酰亚胺的蚀刻量将随着cf4的比例增加缓缓减少。相比比例 较小时蚀刻增加的速率，其蚀刻降低的速率缓和很多。 4 结论 本文通过前期研究等离子机腔体的蚀刻速率分布及蚀刻速率随时间（次数）的变化，为确定刚挠结合板三 种材料的蚀刻速率与等离子参数之间关系提供可靠的环境基础。使用优化设计方法建立模型进行实验，并使用 minitab软件拟合出了聚酰亚胺、丙烯酸胶及环氧树脂的蚀刻速率与等离子参数之间的关系。通过分析其方程， 科学严谨地获得等离子清洗刚挠印制电路板的参数。文章最后还对其机理进行了假设，该机理很好地解释了实 验中出现的各种情况，具有很强的合理性。 参考文献 1张怀武, 何为等. 现代印制电路原理与工艺m. 北京：机械工业出版, 2006. 2何为. 优化设计试验及其在化学中的应用.成都:电子科技大学出版社,2004. 3周国云, 何为等. 含丙烯酸胶膜刚挠结合板钻通孔试验及其机理研究. 印制电路信息: v ol 6: pp.3841(2009). 4walter schmidt. plasma processed rigid-flexible mcms. electronic circuits world convention 8 tok