孔內(nèi)凹蝕工藝對(duì)芯吸效應(yīng)的影響分析

黃光明

（湖南維勝科技電路板有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

對(duì)于可靠性要求較高的印制電路板（PCB），比如在軍工、航天領(lǐng)域，對(duì)孔壁銅與內(nèi)層導(dǎo)體連接的可靠性十分關(guān)注，其中凹蝕工藝是增強(qiáng)其孔銅可靠性的重要方法之一。美國(guó)的軍標(biāo)（MIL-PRF-55110）、我國(guó)軍標(biāo)（GJB362B-2009）、航標(biāo)（QJ-831B-1998）要求在布設(shè)總圖有規(guī)定之時(shí)需要對(duì)導(dǎo)通孔壁進(jìn)行凹蝕5～80 μm的深度，最佳13 μm（見圖1所示）。

圖1 美國(guó)軍標(biāo)（MIL-PRF-55110）規(guī)定的凹蝕要求圖

所謂凹蝕，是指多層PCB在通孔壁上，將各銅環(huán)層間的介質(zhì)蝕刻少許，使內(nèi)層銅環(huán)朝向孔中凸出，再經(jīng)沉銅及電鍍銅后，形成孔銅以三面包夾的方式與各層孔環(huán)牢牢相扣，以增加孔壁化學(xué)鍍銅層與內(nèi)層銅環(huán)連接面積而強(qiáng)化可靠性。為了達(dá)到孔內(nèi)凹蝕5～80 μm的效果，業(yè)內(nèi)常采用等離子、化學(xué)除膠等方法相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)凹蝕效果[1][2]。在凹蝕工藝中，蝕刻層間介質(zhì)材料實(shí)際是一種對(duì)孔壁的破壞，由于蝕刻的不均勻性和凹蝕程度較大的緣由，蝕刻后的孔壁會(huì)出現(xiàn)較大的粗糙，加劇了沉銅過程所產(chǎn)生的芯吸效應(yīng)。

芯吸效應(yīng)也稱“燈芯效應(yīng)”，通常是指通孔切片的孔壁上，其玻璃束斷面之單絲間有化學(xué)銅層滲鍍其中，此為化學(xué)銅過程會(huì)出現(xiàn)的一種常態(tài)。芯吸過大，會(huì)降低絕緣強(qiáng)度，當(dāng)設(shè)備長(zhǎng)期在高溫、高濕的環(huán)境下工作時(shí)，極易產(chǎn)生CAF（陽極導(dǎo)電絲）短路等電性能風(fēng)險(xiǎn)，我國(guó)軍標(biāo)和航標(biāo)均要求芯吸長(zhǎng)度小于80 μm。因此，對(duì)芯吸長(zhǎng)度的控制是凹蝕工藝中一個(gè)重要的制程問題（見圖2所示）。

圖2 鉆孔后的孔壁微觀形貌圖

本文通過研究凹蝕工藝中各流程因素對(duì)芯吸效應(yīng)的影響，分析在凹蝕工藝中影響芯吸長(zhǎng)度的主次因素，并結(jié)合芯吸產(chǎn)生的原因提出相應(yīng)建議，為芯吸的控制提供一些指導(dǎo)性方向。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了考察不同流程對(duì)芯吸效應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)針對(duì)性設(shè)計(jì)了4組不同的流程，考察了鉆孔、等離子、玻纖蝕刻、化學(xué)除膠對(duì)芯吸長(zhǎng)度的影響，如表1所示。芯吸長(zhǎng)度取沉銅和電鍍銅后的切片，用金相顯微鏡測(cè)量其長(zhǎng)度。

2 結(jié)果分析

2.1 經(jīng)過不同流程后的芯吸長(zhǎng)度

在凹蝕工藝中，等離子蝕刻、玻纖蝕刻、化學(xué)除膠是最主要的三個(gè)流程。對(duì)芯吸產(chǎn)生的原因分析基于這三個(gè)流程。而鉆孔作為最重要的前流程，也是影響芯吸的重要因素之一。表1中4種不同流程在PTH（金屬孔化）和鍍銅后的芯吸長(zhǎng)度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程表

從表2中可以看出，鉆孔是芯吸產(chǎn)生的根源。只經(jīng)過鉆孔就存在了近20 μm的芯吸效應(yīng)。等離子蝕刻是芯吸擴(kuò)大化的最主要因素。30 min的等離子蝕刻使得芯吸增加了28 μm，而凹蝕工藝需要等離子蝕刻50 min及玻纖蝕刻，使得芯吸增加至60 μm左右?？梢姡入x子蝕刻時(shí)間和玻纖蝕刻時(shí)間是影響芯吸的重要因素。而化學(xué)除膠過程則對(duì)芯吸的增加并不明顯。

表2 經(jīng)不同流程后的芯吸長(zhǎng)度

2.2 鉆孔對(duì)芯吸效應(yīng)的影響

圖3為鉆孔后的孔壁微觀形貌。鉆孔的過程伴隨著鉆刀對(duì)玻纖的切削，在切削玻纖的同時(shí)，孔壁遭受了機(jī)械切削力攻擊，鉆刀會(huì)拉扯玻纖從而引起玻纖與樹脂出現(xiàn)分離，如圖3中所示，玻纖的附近出現(xiàn)了裂縫，寬度為0.6 μm。也即是鉆孔是產(chǎn)生芯吸的根本原因。

圖3 鉆孔后的孔壁微觀形貌圖

2.3 等離子對(duì)芯吸效應(yīng)的影響

等離子蝕刻時(shí)間和玻纖蝕刻時(shí)間是影響芯吸的重要因素。因此，針對(duì)等離子蝕刻時(shí)間設(shè)計(jì)了蝕刻10～75 min，測(cè)試不同等離子蝕刻時(shí)間的芯吸長(zhǎng)度，如表3所示。

為了更直觀看出芯吸長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)，將表3中等離子蝕刻時(shí)間與芯吸長(zhǎng)度的關(guān)系轉(zhuǎn)化為等離子蝕刻時(shí)間-芯吸長(zhǎng)度變化圖如圖4所示。

表3 不同等離子蝕刻時(shí)間的芯吸長(zhǎng)度表

從圖4可以看出，在蝕刻時(shí)間為10～40 min下，芯吸長(zhǎng)度隨著等離子蝕刻時(shí)間的增加而呈現(xiàn)線性增加，并從40 min后在61 μm上下波動(dòng)，即芯吸在61 μm處趨于平衡。

圖4 等離子蝕刻時(shí)間與芯吸長(zhǎng)度的關(guān)系

對(duì)比等離子蝕刻30 min和50 min后的孔壁微觀形貌，可以看到隨著等離子蝕刻時(shí)間的增加，玻纖束附近的樹脂被蝕刻更深。同時(shí)，對(duì)比等離子蝕刻10 min與30 min后的玻纖附近的裂縫大小，裂縫從等離子蝕刻10 min后只有0.8 μm增加至等離子蝕刻30 min后的1.5 μm，可見等離子蝕刻的過程中既包含垂直于玻纖方向的蝕刻，又在裂縫處對(duì)其進(jìn)行一定的蝕刻從而引起裂縫的擴(kuò)大化。因此，在等離子蝕刻時(shí)間從10 min增加至50 min后，芯吸長(zhǎng)度從26.16 μm增加到61.01 μm。

在蝕刻時(shí)間為40 min后，芯吸的長(zhǎng)度并不會(huì)再出現(xiàn)明顯地增加。這是因?yàn)榈入x子在擴(kuò)大裂縫的過程中并不能延長(zhǎng)裂縫的長(zhǎng)度。圖6是PTH后在金相顯微鏡暗場(chǎng)下觀測(cè)玻纖發(fā)亮區(qū)域。發(fā)亮區(qū)域被認(rèn)為是玻纖蝕由于與樹脂產(chǎn)生裂縫而出現(xiàn)發(fā)亮。從等離子蝕刻30 min至75 min，等離子發(fā)亮區(qū)域到孔銅的距離在61～63 μm，基本沒有明顯增加。其原因在于等離子蝕刻過程的機(jī)理[3]。等離子對(duì)樹脂的蝕刻過程，是等離子體與樹脂發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，在對(duì)樹脂蝕刻過程中，伴隨著等離子體的消耗，需要通過擴(kuò)散來進(jìn)行補(bǔ)充。而裂縫的寬度只有1.5 μm左右，嚴(yán)重地制約著等離子體向裂縫深處的擴(kuò)散，從而避免了裂縫長(zhǎng)度被擴(kuò)散而導(dǎo)致芯吸長(zhǎng)度的增加。而裂縫的原始長(zhǎng)度則是由鉆孔對(duì)玻纖的拉扯撕裂程度決定的，即鉆孔質(zhì)量決定了縱向裂縫的深度。

圖6 不同等離子蝕刻時(shí)間后芯吸裂縫長(zhǎng)度圖

為了進(jìn)一步描述在正凹蝕工藝中玻纖周圍裂縫寬度和深度的變化，建立如下圖7的變化模型，鉆孔后產(chǎn)生寬度D1的裂縫，隨后在等離子蝕刻后裂縫的寬度增加至D2，而裂縫長(zhǎng)度基本保持為L(zhǎng)。加長(zhǎng)等離子凹蝕時(shí)間，裂縫會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大至D3，而長(zhǎng)度（L+）也會(huì)有所增加。因而說等離子蝕刻是使燈芯長(zhǎng)度擴(kuò)大化的主要原因。隨著等離子蝕刻時(shí)間的增加，玻纖絲周邊包夾的樹脂被除掉、沉銅藥水將變得更容易滲入，從而使燈芯長(zhǎng)度逐漸增加。

圖7 等離子蝕刻時(shí)間與芯吸變化模型圖

2.4 玻纖蝕刻對(duì)芯吸效應(yīng)的影響

由于長(zhǎng)時(shí)間等離子蝕刻后樹脂被咬蝕，而等離子體對(duì)玻纖束無作用效果，因而形成玻纖頭凸出的形貌（參考圖5中等離子蝕刻50 min后的微觀形貌）。玻纖蝕刻流程主要是用主體為氫氟酸的溶液處理凸出的玻纖頭。凸出的玻纖造成截面的不平整進(jìn)而影響到化學(xué)銅沉積的效果，易在此處發(fā)生銅層不連續(xù)而斷銅的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)在沉銅后凸出的玻纖會(huì)扎進(jìn)孔壁銅層中降低孔銅的連續(xù)性。因此，需要對(duì)凸出的玻纖進(jìn)行蝕刻，在此工藝中蝕刻時(shí)間是控制玻纖蝕刻效果的最主要因素。針對(duì)此因素分別設(shè)計(jì)蝕刻時(shí)間6 min、8 min、10 min，測(cè)量芯吸結(jié)果如表4所示。

圖5 不同等離子蝕刻時(shí)間后的孔壁微觀形貌圖

表4 不同玻纖蝕刻時(shí)間的芯吸長(zhǎng)度表

圖8是不同玻纖蝕刻時(shí)間后的孔壁微觀形貌。從玻纖的形貌可以看出，蝕刻不足、蝕刻完全、蝕刻過度是表現(xiàn)出三種不同的孔壁形貌。蝕刻不足的玻纖頭部呈現(xiàn)鈍狀，并有較長(zhǎng)的玻纖依然殘留凸出。蝕刻完全的玻纖頭部則呈現(xiàn)尖狀，同時(shí)玻纖整體與樹脂等高。而蝕刻過度的玻纖則出現(xiàn)部分玻纖的頭部也被完全蝕刻的情況，且玻纖的整體低于周圍的樹脂。從玻纖蝕刻的形貌可以得到藥水對(duì)玻纖蝕刻的過程是一個(gè)先對(duì)凸出玻纖進(jìn)行立體的蝕刻過程，玻纖先變細(xì)再逐漸消失。當(dāng)凸出的玻纖被蝕刻完全后，藥水在垂直玻纖方向蝕刻埋在樹脂里的玻纖，造成玻纖內(nèi)縮并低于樹脂。從蝕刻不足、蝕刻完全到蝕刻過度的三種形貌，可以解釋表4中玻纖蝕刻時(shí)間對(duì)芯吸的影響。當(dāng)蝕刻不足時(shí)，埋在樹脂內(nèi)的玻纖不會(huì)被蝕刻，玻纖附近的裂縫不會(huì)由于玻纖的蝕刻而擴(kuò)大。而在蝕刻過度時(shí)，埋在樹脂內(nèi)的玻纖被藥水蝕刻，使得玻纖附近的裂縫由于玻纖的變小而擴(kuò)大。因此，玻纖蝕刻過度更容易引起更大的芯吸。但玻纖蝕刻不足則使得玻纖過度凸出，影響沉銅效果和孔銅質(zhì)量。所以，剛好蝕刻完全是玻纖處理的最佳選擇。

圖8 不同玻纖蝕刻時(shí)間后的孔壁微觀形貌

3.5 化學(xué)除鉆污對(duì)芯吸效應(yīng)的影響

圖9是化學(xué)除鉆污前后的孔壁形貌對(duì)比。

圖9 化學(xué)除膠前后的孔壁形貌

化學(xué)除鉆污過程包括兩步，一是對(duì)樹脂的溶脹，二是利用高錳酸鉀氧化分解樹脂，從而達(dá)到對(duì)樹脂的蝕刻。不同Tg材料的樹脂由于其配方的不同，其溶脹性、穩(wěn)定性不同。對(duì)于Tg值較高的材料，由于溶脹性較低而氧化性較高，化學(xué)除鉆污的效果并不是很明顯。作為高Tg的IT180來說，單一制程（15 min）的孔內(nèi)蝕刻量在2～3 μm。從圖9可以看出，化學(xué)除鉆污后玻纖略為凸出一點(diǎn)，但對(duì)于玻纖附近的裂縫影響很小。從孔壁的整個(gè)形貌來看，化學(xué)除鉆污后并沒有增加玻纖處樹脂向介質(zhì)內(nèi)凹蝕。因此，單一制程的化學(xué)除鉆污并沒有明顯影響芯吸的長(zhǎng)度。

3 結(jié)論

通過上述凹蝕對(duì)芯吸影響的主要因素分析，可知芯吸的主要影響因素和規(guī)律如下：

（1）鉆孔中對(duì)玻纖的扯拉撕裂是芯吸產(chǎn)生的根本原因，而等離子蝕刻是芯吸擴(kuò)大的主要原因；而隨著等離子蝕刻時(shí)間的增加，芯吸長(zhǎng)度會(huì)出現(xiàn)平衡點(diǎn)，此極限芯吸長(zhǎng)度是由鉆孔質(zhì)量所決定。

（2）玻纖蝕刻過度會(huì)引起燈芯長(zhǎng)度少量的增加。

（3）單一制程的化學(xué)除鉆污不會(huì)明顯地增加芯吸的長(zhǎng)度。

因此，控制芯吸長(zhǎng)度主要通過控制鉆孔質(zhì)量（如優(yōu)化程序參數(shù)、鉆頭壽命等）以減少平衡位置的芯吸長(zhǎng)度。而達(dá)到最佳凹蝕深度所需的等離子時(shí)間已處于芯吸長(zhǎng)度的平衡點(diǎn)之后，對(duì)芯吸不會(huì)起再增大的作用。同時(shí)，可通過工藝參數(shù)控制結(jié)合切片觀察保證玻纖蝕刻效果為剛好蝕刻完全，避免過蝕而引起芯吸的增加。