電暈技術(shù)在高頻材料阻焊應(yīng)用研究

許校彬 陳金星

（特創(chuàng)電子科技有限公司，廣東 惠州 516369）

0 前言

隨著5G通信載波頻率提高，波長變短，信號覆蓋范圍變小，這就需要增加更多的基站、天線等設(shè)備，預(yù)計5G時代基站等設(shè)備的數(shù)量是4G時代的10倍以上，同時手機等智能終端也需要更換才能享受5G網(wǎng)絡(luò)所帶來的新體驗，這將給PCB行業(yè)帶來爆發(fā)式的增長。5G設(shè)備在PCB材料選擇上，主要以聚四氟乙烯（PTFE）或陶瓷料為主。

PTFE材料是一種高分子材料，此基材有優(yōu)良的高頻電性能，良好的化學(xué)穩(wěn)定性。PTFE的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為（-CF2-CF2-）n，它是以碳原子鏈為骨架，周圍被氟原子包圍的結(jié)構(gòu)。其表面能極低，臨界表面張力一般只有31～34達因/厘米，結(jié)晶度大，可以以-180 ℃～250 ℃范圍連續(xù)長期使用，即使在高溫下，也不會發(fā)生任何反應(yīng)。然而，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)PTFE基材表面隨著暴露在空氣中時間的增長而發(fā)生微觀的結(jié)構(gòu)變化，PTFE基材暴露在空氣中的時間越長，其表面的粗糙度會越來越小，基材粗糙度減小會使絲印時油墨與基材的結(jié)合力減弱，直接導(dǎo)致阻焊層脫落。本文所要探討的就是如何通過電暈技術(shù)解決PTFE材料阻焊甩油的問題以及該項技術(shù)在PCB行業(yè)的技術(shù)研發(fā)方向。

1 電暈原理

普遍認為自然界存在三種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)外，還有等離子態(tài)。由人工生成等離子體已被應(yīng)用在表面處理過程中，等離子體和其它物質(zhì)接觸時，所輸入的能量被傳送到被接觸材料表面，并隨之產(chǎn)生一系列的作用。

電暈處理屬于等離子體處理技術(shù)，電暈處理主要用于塑料薄膜、鋁箔、金屬、紙張、布匹的表面處理，其工作原理是利用高頻高壓，在放電刀架和刀片的間隙產(chǎn)生電暈放電形成等離子體（見圖1）。電暈處理作用為：（1）通過放電使兩極之間的空氣電離，在材料表面形成等離子區(qū)使材料表面非極性表面，達到改性；另外空氣在高壓電場中電離，產(chǎn)生臭氧，臭氧是一種強氧化劑，可以立即氧化材料的表面分子，使其由非極性轉(zhuǎn)化成極性，表面張力得到很高的提高；（2）電子沖擊后，使材料表面打毛粗化，增加大表面活性。材料印刷、復(fù)合、涂布前進行電暈處理能獲得良好的印刷牢度和復(fù)合、均勻涂膠，從而大大的提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，這是當前成本最低且有效的方法（見圖1所示）。

圖1 電暈機放電產(chǎn)生的紫藍色輝光

2 實驗部分

2.1 測試設(shè)備參數(shù)以及材料

（1）電暈機參數(shù)見表1所示。

（2）阻焊低壓噴涂參數(shù)見表2所示。

（3）測試材料及檢測儀器如下。

材料：FR-4板、PTFE板、陶瓷板、鋁板、銅板（備注：FR-4板、PTFE板、陶瓷板均蝕刻成無銅光板）。

儀器：金相顯微鏡、電鏡（SEM&EDS）、白光干涉儀、互調(diào)測試儀。

2.2 電暈技術(shù)的工藝流程

現(xiàn)研發(fā)技術(shù)流程如下。

開料→內(nèi)層→壓合→鉆孔→等離子處理→沉銅→板電→圖轉(zhuǎn)→顯影/蝕刻/退膜→AOI檢查→電暈→阻焊噴涂→字符→銑板→測試→表面涂飾→FQC→包裝

備注：全程不開任何刷磨，用化學(xué)前處理

2.3 電暈噴涂技術(shù)的基本過程

（1）前處理。

①PTFE材料前處理采用化學(xué)清洗（微蝕或超粗化）的前處理作業(yè)的方式，嚴禁磨板和噴砂；

②陶瓷板可以采用機械磨刷和化學(xué)清洗兩種作業(yè)方式，優(yōu)先選擇化學(xué)清洗，采用機械磨刷時磨痕控制在0.6～1.0 mm以內(nèi)。避免過板次數(shù)太多，影響銅面的平整性。

（2）電暈處理。根據(jù)正交最佳參數(shù)電暈，主要處理前站的刮碰造成的表面改性問題，保證涂覆前粗糙度。通過電鏡、白光干涉儀觀察電暈前后的各個材料表面粗糙度及元素的變化情況

（3）噴涂。前處理后手不可觸摸成型區(qū)；采用附著力較好的噴涂油墨，印刷后靜置30 min后再預(yù)烤。

（4）曝光。對位不可有偏；曝光能量比普通油墨要高，控制在11至13格蓋膜，避免能量低導(dǎo)致掉油。

表1 電暈機常規(guī)參數(shù)

表2 阻焊低壓噴涂參數(shù)

（5）顯影、烘烤。正常顯影，完成后分段后烤。

（6）金相切片及互調(diào)信號檢測。將噴涂后的PTFE板切片，置于金相顯微鏡下，測量其噴涂油墨厚度，并觀察與油墨結(jié)合情況；互調(diào)檢測頻段EGSM900、載波頻率925～960 MHz高頻板的信號情況。

2.4 電暈正交參數(shù)測試條件

測試選用線速度、功率、放電間隙三種試驗因素，電壓隨著功率改變而改變，電暈機開機電壓約在12 000 V左右，而穩(wěn)定后一般在8000～10 000 V間波動。測試參數(shù)中放電時間控制就是線速度，通過速度越快，電暈的時間就越短，功率的大小直接影響著電暈的放電量，功率越大放電越強。放電間隙指的是放電的有效區(qū)域與板子的距離，距離越近電暈效果越顯著，市面上的生產(chǎn)薄膜所用的電暈機一般保持間隙在1～2 mm之間。

3 結(jié)果與分析

3.1 電暈正交參數(shù)測試結(jié)果

電壓和頻率、電極間距、處理溫度和時間對電暈處理效果都有影響。功率增大，則作用強度大，處理效果最明顯，但功率過高或間隙太寬，會引起電極間過多的離子碰撞，造成不必要的能量損耗；而電極間距太小，會有感應(yīng)損失，也有能量損耗。

粘結(jié)強度衡量指標：我們采用的是T型玻璃強度測量?！?”標識處理強度過大，導(dǎo)致火花放電，試驗無法進行。根據(jù)測試可知，最佳電暈參數(shù)為A3B2C1，即線速度在2.5 m/min左右，功率調(diào)整在500～700 W之間，放電間隙1 mm時，PTFE材料（ZYF300CA-P）的粘結(jié)性最好。

3.2 不同材料電暈效果及元素分析

電暈可以在空氣中獲得其所需的基團發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，其中O3、氧原子等強氧化劑對材料表面的化學(xué)侵蝕。電暈放電處理過程中，氧易被激發(fā)形成氧原子，氧原子與一分子氧結(jié)合生成臭氧。臭氧具有強氧化作用，使塑料表層分子氧化，產(chǎn)生化合物。侵蝕會使聚合物表面降解，形成微細凹凸面，大大增強了其與油墨之間的接觸面積，便有效增強其與油墨的結(jié)合力。

根據(jù)表6可知，金屬類電暈后原來的表面的污物消失了，電暈對材料有一定的清潔作用，同樣的點經(jīng)過電暈后表面沒有形成凹凸面，所以斷定電暈對金屬材料不具有粗化作用，而從圖中可以很清晰的知道，電暈對于FR-4、PTFE、陶瓷料三類材料均有不同程度的粗化作用，具體粗化效果見粗糙度測試。另外，進行了不同材料電暈前后的EDS對比，看出電暈雖然在過程中發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，但最終其不會造成物質(zhì)的元素發(fā)生變化，就是電暈處理不會產(chǎn)生新的物質(zhì)，這樣就不會影響到后續(xù)材料加工（如沉金、沉銀、沉錫、阻焊、抗氧化等）。

表3 測試參數(shù)表

表4 正交測試結(jié)果

表5 電暈處理實驗條件表

圖2 不同材料的電暈效果SEM對比

3.3 電暈粗糙度測試結(jié)果

不同材料的電暈粗糙度三維圖像如圖3。

圖3 電暈粗糙度三維圖像

由表6數(shù)據(jù)可看出，電暈處理后材料均有不同程度的粗糙度增大，效果從大至小為陶瓷＞PTFE＞FR-4。

表6 不同材料的電暈前后粗糙度數(shù)據(jù)

3.4 PTFE材料電暈水滴角測試結(jié)果

根據(jù)正交優(yōu)化實驗中最佳電暈條件處理后的PTFE板，在室溫22 ℃放置24 h后，對蒸餾水的接觸角是10.3°，而未處理的PTFE板材接觸角為84.4°（見圖4）。這不僅說明電暈處理能較好的改性PTFE表面，而且能夠保持較長一段時間。

圖4 PTFE電暈前后水滴角的變化

從SEM、EDS、粗糙度、水滴角測試分析可以知道，電暈處理利用高頻高壓電源，在放電極與電暈輥之間產(chǎn)生電暈，形成低溫等離子區(qū)，通過兩極之間的空氣電離，產(chǎn)生臭氧，臭氧是一種氧化劑，可以立即改變塑料表面的分子結(jié)構(gòu)，使其由非極性轉(zhuǎn)化為極性，使得材料獲得較好的改性。同時，會使材料表面呈微小凹凸不平的孔穴使其表面粗化，增強表面活性，這樣表面張力得到提高后，油墨就能進一步滲透到被處理材料上，從而達到理想的印刷效果。我們可以還用于基板廠增大銅與基材結(jié)合力，線路板生產(chǎn)企業(yè)的鍍銅、壓合（完成PTFE混壓或者材料粗糙度的加大等）以及油墨涂覆的應(yīng)用等等。

3.5 PTFE材料刷磨驗證性實驗

將PTFE材料經(jīng)過尼龍針刷處理后，做絲印、噴涂及電暈噴涂。從實驗可知，刷磨對PTFE結(jié)構(gòu)具有破壞性的改變，從24 h后的SEM（掃描子顯微圖）可以看出PTFE材料經(jīng)刷磨后不再具備恢復(fù)性，材料變得不具親水性也難以粗化，同樣電暈也無法改善問題。為此，PTFE材料的生產(chǎn)必須嚴禁打開刷磨。

3.6 PTFE材料最佳電暈次數(shù)測試

PTFE材料進行多次電暈處理，表面狀態(tài)如圖5。

根據(jù)正交最優(yōu)參數(shù)電暈試驗后可知，最佳電暈次數(shù)在1～2次為宜，3次電暈呈現(xiàn)類燒焦表面，粗糙度開始變差。

3.7 電暈時效性測試

由于電鏡測試需在材料表面噴保護層，該保護層會延緩產(chǎn)品變化情況，為合理真實測試出材料時效變化，故將樣板分割成多塊電鏡，所以電鏡測試位置有所不同。

測試環(huán)境溫度：17～25 ℃；濕度：40%～70%RH

從測試結(jié)果看，F(xiàn)R-4材料、陶瓷料粗化效果可以保證72 h以上，而PTFE在12 h時左右局部位置已經(jīng)開始恢復(fù)平整，因此PTFE電暈后生產(chǎn)時間需要控制在8 h以內(nèi)（見圖6所示）。

圖5 PTFE材料電暈次數(shù)對比

圖6 不同材料電暈時效性（SEM 3000X）

4 小批量測試

4.1 測試流程

開料—鉆孔—高頻整孔—沉銅—全板電鍍—圖電加厚—圖形轉(zhuǎn)移—酸性蝕刻—電暈—超粗化—噴涂

備注：全程關(guān)閉刷磨。

4.2 試樣問題點

PTFE及陶瓷噴涂問題點及改善說明見表7所示。

4.3 合格率

PTFE及陶瓷噴涂測試板合格率見表8所示。

4.4 成品板驗證測試

PTFE及陶瓷噴涂測試板檢測見圖7所示。

4.5 噴涂油墨厚度

從測試可知，電暈技術(shù)可有效增加PTFE或陶瓷等線路板材料表面的潤濕性和粘接性能，在線路板噴涂油墨具有很好的效果（見圖8所示和表9）。

4.6 5G頻段互調(diào)測試

PTFE材料5G板電暈后噴涂成品板的掃頻結(jié)果見圖9所示。

表7 PTFE及陶瓷噴涂問題點及改善說明

表8 PTFE及陶瓷噴涂測試板合格率

圖7 PTFE及陶瓷噴涂測試板檢測

圖8 PTFE材料電暈后噴涂油墨厚度切片

表9 PTFE材料電暈后噴涂各位置油墨厚度

圖9 PTFE材料5G板電暈后噴涂成品板的掃頻結(jié)果

5 結(jié)論

阻焊結(jié)合力差會導(dǎo)致阻焊層與電路板脫離或阻焊層開裂，最終導(dǎo)致電路腐蝕，造成嚴重的功能性問題；PTFE材料受到碰撞，材料表面發(fā)生微秒變化后，常常在阻焊時出現(xiàn)甩油問題，噴涂生產(chǎn)相對于絲印這種情況就更加明顯。而電暈放電處理技術(shù)可以很好的增加PCB多種材料（含PTFE材料）的表面粗糙度和潤濕度，形成“鎖扣效應(yīng)”，使材料具有很好的涂覆效果。該項技術(shù)在阻焊的應(yīng)用可以很好的解決了PTFE材料甩油問題，更可以選擇噴涂生產(chǎn)，讓效率有顯著提升。

另外，研究過程發(fā)現(xiàn)電暈放電技術(shù)具有工藝簡單、操作方便、加工速度快、處理效果好、環(huán)境污染小、節(jié)能等優(yōu)點，其對線路板還有清潔、活化和粗化的作用，該項技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用具有很高的開發(fā)價值。