一種超低損耗材料層間分離的改善探討

劉海龍 曹宏偉

（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

0 前言

隨著5G應用的快速普及，實現(xiàn)在高頻高速下高效高容量的數(shù)據(jù)低損耗傳輸已日益迫切，要求印制電路板（PCB）的基材及PCB加工需具有更高效的信號傳輸完整性和更優(yōu)秀的高可靠性。在目前階段主流的設(shè)計方案中，依然是超低損耗板材搭配低粗糙度的銅箔及低粗糙度的電鍍藥水，以實現(xiàn)PCB信號傳輸?shù)蛽p耗的要求，超低損耗板材的加工性是PCB行業(yè)重點關(guān)注的對象。

本文將基于一款新型的Df（介質(zhì)損耗因子）值為0.0013（@10 GHz）超低損耗板材在PCB加工認證開發(fā)階段出現(xiàn)的內(nèi)層連接缺陷（ICD）問題，對加工過程中關(guān)鍵制程參數(shù)進行的優(yōu)化、驗證改善。ICD缺陷發(fā)生存在識別滯后且有難度，必須完成鍍銅后通過切片逐一觀察判別，所以ICD問題在認證階段必須得到徹底解決，否則就容易造成后續(xù)的批量性報廢風險。本文主要從鉆孔、等離子參數(shù)及流程設(shè)計方面通過缺陷現(xiàn)象、形成機理和實驗驗證結(jié)果的分析，最終找到了這款材料改善ICD的最佳參數(shù)，改善后經(jīng)分析孔內(nèi)質(zhì)量在芯吸、孔粗等方面也實現(xiàn)了最優(yōu)化，滿足可批量化生產(chǎn)的需求。

1 ICD缺陷現(xiàn)象及機理分析

1.1 異?，F(xiàn)象

PCB加工中鍍銅完成時0.2 mm小孔切片觀察存在內(nèi)層銅與孔銅未連接缺陷，從切片看缺陷主要發(fā)生在孔中間位置，嚴重者孔銅與內(nèi)層銅完全隔離，距約7 μm，有些是從內(nèi)層銅的一側(cè)分離，即孔銅與內(nèi)層銅未完全連接，中間有層間夾雜物寬度2 μm～6 μm，內(nèi)層銅有明顯的內(nèi)縮異?，F(xiàn)象。從平磨試片觀察，有不同角度的未連接不良，嚴重的出現(xiàn)角度70°以上，如圖1所示。

圖1 層間分離（ICD）異常

1.2 機理分析

通過缺陷現(xiàn)象及流程排查，圖2是金屬化孔加工流程圖，其中鉆孔和等離子是缺陷形成的兩個關(guān)鍵加工制程。

圖2 金屬化孔加工流程圖

影響鉆污產(chǎn)生的因素有鉆頭直徑、轉(zhuǎn)速、進刀速、蓋板、吸塵負壓等，如在鉆孔過程中形成的鉆污粉屑黏附孔壁較厚，到后制程等離子處理的壓力就會增大。

影響等離子去鉆污的因素有設(shè)備的電極功率、氣體流量及配比、板件溫度等。在整個等離子的加工過程即發(fā)生著物理反應，通過離子轟擊材料表面產(chǎn)生濺射效果，又發(fā)生著化學反應，即利用強電場的電離作用，將CF4和O2的混合氣體，通過電場射頻功率電離形成第四態(tài)的等離子體，利用等離子體的物理轟擊和化學反應將樹脂殘留物轉(zhuǎn)化為具有揮發(fā)性的有機氟化物，從而達到去除鉆污的目的。如圖3所示為等離子體去鉆污化學反應機理。

圖3 等離子體去鉆污反應機理

1.3 鉆孔的影響分析

通過分別取鉆孔清洗后及去鉆污后切片，對孔內(nèi)做孔壁電鏡掃描觀察，其中在鉆孔清洗后的試樣可以看到內(nèi)層截面銅上有大量樹脂粉膠[如圖4（a）所示]，經(jīng)過等離子去鉆污和一次化學去鉆污處理后，可以看到內(nèi)層銅的鉆污有被清除掉[如圖4（b）所示]，但內(nèi)層銅表層形貌存在大量的凹坑及殘留有球型顆粒SiO2（夾雜物），說明內(nèi)層銅在鉆孔時受到擠壓，樹脂中較硬的填料被壓到內(nèi)銅內(nèi)。

圖4 鉆孔清洗后及去鉆污后切片

球型顆粒物測得主要是Si和O元素（如圖5所示），說明這是樹脂內(nèi)SiO2填充劑，通過這一現(xiàn)象可以推斷孔壁內(nèi)層銅面上的球型填充劑和凹坑是在鉆孔過程中鉆屑粉膠（鉆污）黏附在內(nèi)層銅上，樹脂粉膠（鉆污）未及時排出，在高速、高熱量及壓力狀態(tài)下，樹脂屑中的SiO2被擠壓到內(nèi)層銅上而形成，凹坑是球型填充劑被清除后的效果。對上述的現(xiàn)象分析，可以得出：最大限度地降低鉆孔時鉆屑被擠壓到內(nèi)層銅上的概率是改善的重點。所以鉆孔的進刀速、轉(zhuǎn)速的匹配合理性以及磨損（壽命）需要重新測試定義，另外鉆孔的預鉆、分步鉆等對降低鉆污有正向作用的措施需要應用。

圖5 球型物元素分析

1.4 等離子除膠的影響分析

通過對ICD缺陷現(xiàn)象觀察，發(fā)生概率最高的是孔中間位置，結(jié)合等離子的去鉆污機理、等離子設(shè)備及板件高厚徑比的特點，有兩個方面可能導致這種情況出現(xiàn)，第一是材料樹脂特性本身在等離子去鉆污時比較難去除；第二則是說明等離子去鉆污的孔中滲透咬蝕能力太弱，導致孔中間鉆屑無法清除干凈；

通過測量不同材料的除膠量，對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)這款材料A在類似等級的材料中，相同等離子處理條件下，除膠量僅僅是其他材料的約50%（如圖6所示）。說明此款材料除膠比較困難，在等離子去鉆污時需要延長處理時間。另外等離子體對孔內(nèi)咬蝕能力差的問題，與等離子去鉆污的等離子參數(shù)、裝板方式（腔體負載）、設(shè)備等有關(guān)聯(lián)，本文將驗證兩組參數(shù)設(shè)置優(yōu)化以對比驗證孔中咬蝕的結(jié)果。

圖6 不同材料的除膠量對比

總結(jié)：結(jié)合缺陷現(xiàn)象、機理分析及鉆孔和去鉆污的影響分析，下文將通過交叉驗證找到降低鉆污的最優(yōu)鉆孔參數(shù)，并對比等離子參數(shù)優(yōu)化、優(yōu)化參數(shù)配比以提高孔壁除膠量及均勻性。

2 驗證方案及結(jié)果

2.1 試驗儀器

電鏡（SEM）、鉆頭磨損測量儀、切片研磨機等

2.2 驗證板信息

驗證板結(jié)構(gòu)為：板厚5.1 mm，最小孔0.2 mm，厚徑比25.5:1。

2.3 驗證因子及分析

2.3.1 鉆孔的關(guān)鍵影響因子及流程設(shè)計

由于前面已驗證過鉆孔的進刀速提高至2.4 m/min，進刀量提高至25 μm/rev時，或者轉(zhuǎn)速提高至160 kprm時，有斷針和爆孔的異常,且都會出現(xiàn)在孔口位置粉屑較為嚴重，已證實鉆孔轉(zhuǎn)速太快或進刀量過高時因排出進程長且產(chǎn)生的粉屑不能及時排出，對孔造成擠壓，并伴有嚴重的鉆頭崩角、爆孔甚至斷裂情況，孔口粉屑情況如圖7所示。

圖7 材料A-孔口粉屑圖

本次驗證過程使用T1雙刃單槽結(jié)構(gòu)開背槽和T2不開背槽兩種設(shè)計的鉆頭，將進刀速、轉(zhuǎn)速和壽命四因子設(shè)計2個水平進行驗證，見表1所示。驗證板流程：鉆孔→鉆孔清洗→切片→SEM，完成后切片使用電鏡掃描觀察孔壁，并對鉆頭磨損確認。

表1 鉆孔參數(shù)四因子量水平設(shè)計表

2.3.2 鉆孔的關(guān)鍵影響因子結(jié)果分析

收集四因子組合鉆污量的數(shù)據(jù)，并通過minitab對影響因子主效應分析，從圖8所示可以看出其中轉(zhuǎn)速最顯著，鉆頭壽命、進刀速次之，鉆頭類型影響不顯著。

圖8 四因子主效應分析圖

驗證小結(jié)：可以得出（1）粉屑形成看：T1、T2鉆頭類型在孔口、孔中形成的粉屑判斷無明顯差異；（2）磨損程度看兩種鉆頭壽命為300孔及500孔鉆頭刃面整體磨損都不大，差異不明顯；（3）T1鉆頭孔槽內(nèi)有明顯粉屑填滿，T2鉆頭則較輕微，另外T1鉆頭在300孔時溝槽內(nèi)無膠狀粉屑，500孔壽命后溝槽內(nèi)的粉屑加劇呈膠體狀。

可以得出（1）較快的鉆孔轉(zhuǎn)速容易在孔壁上黏附粉屑，而較慢的轉(zhuǎn)速會明顯改善；（2）較快的轉(zhuǎn)速相比孔中，孔口形成粉屑更明顯，但整體黏膠都嚴重；（3）較慢的轉(zhuǎn)速在孔口及孔中粉屑都輕微。

可以判斷粉屑會在鉆孔溫度的變化下產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，因排屑槽被粉屑堵住，不能及時排出粉屑，而新產(chǎn)生的粉屑只能在高速旋轉(zhuǎn)的壓力、高溫下又增大了刀與孔壁的摩擦力而在溝槽內(nèi)形成膠體狀，說明加工時會產(chǎn)生高溫溶脂現(xiàn)象。這種現(xiàn)象也能夠解釋內(nèi)層截面上有樹脂粉屑及受到填充劑SiO2的擠壓為凹坑現(xiàn)象所發(fā)生的機理。

通過優(yōu)化響應器分析及結(jié)合等值線見圖9所示，將鉆頭轉(zhuǎn)速設(shè)定60 kprm，壽命設(shè)定300，進刀速調(diào)整到1.6 m/min（由于測試板出現(xiàn)進刀速太快出現(xiàn)斷鉆頭問題）,可以得到鉆污量控制在2.65 μm以內(nèi)的實現(xiàn)概率約85%，為后面等離子和化學去鉆污提供更多的操作空間。

圖9 關(guān)鍵因子等值線分析圖

2.3.3 等離子體去鉆污處理的影響分析

基于前面對材料A除膠量的測量，由于其除膠量僅是同系材料的1/2，所以等離子處理時間適當延長。另外由于是高厚徑比25.5:1，為提高滲透能力，增加孔中間區(qū)域的清除效果。等離子體去鉆污以化學反應為主，等離子氣體在孔中持續(xù)反應過程中，孔中的生成物（CO、CO2、HF）的混合氣體在真空等離子腔內(nèi)電離生成高活性的自由基，這些高活性自由基團與產(chǎn)品的粉屑（高分子化合物）反應，反應生成氣態(tài)副產(chǎn)物（如：CO、CO2等）被真空泵抽走，另外需要持續(xù)不斷的提供足夠的電離度的電離氣體才具有等離子體的性質(zhì)。

結(jié)合響應優(yōu)化后的參數(shù)重復加工確認，如表2所示，兩種等離子參數(shù)的效果對比。

表2 去鉆污及鍍銅后ICD質(zhì)量分析表

小結(jié)：從去鉆污及鍍銅后ICD結(jié)果可以得到，方案A的兩種孔限下，孔口、孔中都沒有ICD問題；而方案B在500孔限的情況下孔中位置有輕微的內(nèi)層銅與孔銅連接不良。因此，等離子處理加工參數(shù)也是影響ICD的關(guān)鍵因素。高厚徑比的產(chǎn)品其中鉆頭壽命500 Hit的情況下，單個孔情況下由于等離子體混合反應物由兩端往中間擴散，生成物往孔口擴散，往往會導致孔中存在ICD現(xiàn)象，平磨小孔展示方案B在500 Hit情況下分離角度約20°～70°。

又按方案A，對0.2 mm、0.25 mm、0.35 mm三種大小孔徑的孔口和孔中的凹蝕情況和鍍銅厚度進行驗證，結(jié)果如表3所示?？梢耘卸▋?yōu)化后的鉆孔參數(shù)和等離子體去鉆污參數(shù)適用于材料A和考試板高厚徑比25.5:1產(chǎn)品的加工需求，孔壁質(zhì)量及鍍銅的深鍍能力滿足要求，如圖11所示。

圖11 典型的孔切片

表3 方案A三種孔徑的深鍍能力分析（方案A）

3 總結(jié)

通過對鉆孔參數(shù)、等離子體去鉆污參數(shù)的驗證分析及優(yōu)化，改善材料A出現(xiàn)的ICD問題的方向即最大限度地減少鉆孔產(chǎn)生的粉屑對孔壁的黏附，為后面等離子體去鉆污處理留足更多的操作空間。另外結(jié)合板件高厚徑比的特點，優(yōu)化等離子流量比參數(shù)和處理時間以提高孔中的咬蝕量，達到提高孔壁的咬蝕均勻性的目的。

圖10 方案B的500 Hit孔切片

（1）鉆孔：加工參數(shù)方面，采用新鉆頭，降低轉(zhuǎn)速并控制孔限在500孔（孔徑≤0.25 mm）以內(nèi)，可以最大限度降低鉆污，適當控制進刀速并提前預鉆，以減少斷鉆頭的概率及提高孔位精度。

（2）等離子體處理：調(diào)整CF4、N2、O2氣體流量比，適當增加CF4氣體流量比，以增強對孔中的咬蝕以提高咬蝕均勻性，在保證孔壁粗糙度等孔壁質(zhì)量的前提下適當增加等離子處理時間。

另外由于產(chǎn)品類型多樣化，比如板件數(shù)量、孔徑、孔數(shù)及板厚等因素都會影響腔體負載面積，需要注意的是等離子體加工板件時，其中腔體負載量的控制也尤其關(guān)鍵，避免腔體高負載或低負載（零星板件）加工對孔壁質(zhì)量造成的除膠不凈導致ICD或除膠過度導致的孔粗、芯吸等質(zhì)量問題，這相關(guān)的問題也不容忽視，需要技術(shù)人員通過批量的數(shù)據(jù)收集后制定更合理的規(guī)則。