印制電路板低溫等離子體表面改性工藝

王治偉，王軍 ，楊濤，王慧

（1.蘇州科技大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；3.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

印制電路板(PCB)是電子元器件電氣連接的提供者，是電子設(shè)備的核心部件，已被廣泛應(yīng)用。采用印制電路板能夠大幅減少布線和裝配的差錯，提高自動化水平和生產(chǎn)效率[1]。但PCB存在表面臟污、潤濕性差、粘接性能不足的缺點，這限制了其在粘接、印刷等方面的應(yīng)用，因此有必要對PCB進行表面處理，主要方法有化學(xué)濕法處理、等離子體處理等。

等離子體表面改性屬于干法處理工藝，通過噴槍產(chǎn)生的等離子體射流與材料表面發(fā)生反應(yīng)來達到表面清潔與改性的目的。涉及的反應(yīng)主要有兩種：一種是化學(xué)反應(yīng)，主要以H2、O2、N2、CO2、CF4、空氣等作為介質(zhì)，經(jīng)高壓電離后生成高活性的自由基粒子，與材料表面的物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成新物質(zhì)并被排出材料表面[2-3]；另一種是物理反應(yīng)，采用Ar、He等惰性氣體作為介質(zhì)，這些氣體在電離后產(chǎn)生的正離子、電子等高能粒子能夠不斷沖擊材料表面，直至污染物脫離材料表面[4-5]。

等離子體改性技術(shù)興起于20世紀(jì)六七十年代，具有高效節(jié)能、零廢液的優(yōu)點[6]，可以對材料表面起到清潔、活化和改性的作用，因此在微加工、超大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體薄膜器件、高分子材料表面處理等方面應(yīng)用廣泛[7]。Garcia等[8]在金屬化薄膜電容器的塑料盒上施加低壓微波氧氣等離子體，令熱塑性塑料盒與封裝樹脂之間的界面附著力增強。Choong等[9]在氧氣流中對環(huán)氧樹脂進行微波等離子體處理，提高了環(huán)氧樹脂與有機硅之間的粘附性。Lee等[10]借助催化劑與介質(zhì)阻擋放電(DBD)等離子體的相互作用對催化劑進行表面改性，發(fā)現(xiàn)在DBD等離子體釋放后的最初90 min內(nèi)，催化劑的效率迅速升高，之后隨放電時間的延長，DBD等離子體在催化劑表面施加熱膨脹而造成損傷，使得轉(zhuǎn)化率逐漸降低。湯朋等[11]為了提高環(huán)氧涂料在纖維增強聚丙烯(PP)復(fù)合材料上的附著力，采用激光輻照和等離子體處理PP復(fù)合材料表面，發(fā)現(xiàn)等離子體處理可大幅降低PP復(fù)合材料表面的水接觸角，對材料表面具有一定的清潔和刻蝕作用，使其表面粗糙度略增。

目前對PCB表面處理方面的研究主要集中在化學(xué)試劑研發(fā)和超聲波清洗方面，都屬于濕法處理，有關(guān)干法處理的研究并不多[12]。本文對比了化學(xué)溶劑濕法處理工藝和低溫等離子體處理工藝對PCB的改性效果，研究了低溫等離子體處理時氣壓和放電功率對PCB表面潤濕性的影響，以期使PCB表面獲得最佳潤濕性并維持一定的時間，從而使其在工程應(yīng)用方面發(fā)揮更優(yōu)異的性能。

1 實驗

1.1 PCB預(yù)處理

采用常見的印制電路板作為實驗對象，厚度為0.8 mm。表面改性前先后用無水乙醇和蒸餾水清洗10 min，以去除其表面灰塵和污漬，再干燥。

1.2 PCB表面改性工藝

1.2.1 化學(xué)濕法處理

化學(xué)濕法處理所用溶劑為市售非離子聚合型含氟表面活性劑。配制30 mg/L表面活性劑溶液，置于35 ℃恒溫水浴鍋內(nèi)加熱保溫，將預(yù)處理后的PCB浸泡其中30 min，取出用蒸餾水超聲清洗5 min后干燥。

1.2.2 低溫等離子體處理

等離子體射流產(chǎn)生裝置為實驗室自主研發(fā)的等離子體表面處理機。如圖1所示，該設(shè)備由電子控制系統(tǒng)、高壓電源、等離子體噴槍、空壓機和除水器組成。采用空氣為介質(zhì)，溫度為25 ℃，保持等離子體噴槍與PCB表面間距為3 cm，經(jīng)過空氣壓縮機通入0.5 m3/min的空氣，待氣壓穩(wěn)定后調(diào)節(jié)放電功率開始放電，一定時間后關(guān)閉電源，取出樣品。

圖1 等離子體產(chǎn)生設(shè)備系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram showing the equipment for generation of plasma

1.3 測試與表征

按GB/T 30693-2014《塑料薄膜與水接觸角的測量》，采用昆山北斗精密儀器有限公司的CA500S整體傾斜全自動型光學(xué)接觸角測量儀測量圖2所示PCB表面3處的水接觸角(θ)，取平均值，用于評價PCB的潤濕性。

圖2 水接觸角測量示意圖Figure 2 Schematic diagram showing the positions for measurement of water contact angle

采用德國布魯克DektakXT臺階儀測量PCB表面的臺階高度(hp)，以對比不同改性工藝對PCB表面粗糙度的影響。

采用德國Arcotest達因筆測試PCB的表面張力，通過觀察試液的浸潤情況來判斷不同改性工藝對PCB表面粘附性的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)濕法處理與等離子體處理對PCB表面改性效果的對比

分別采用化學(xué)濕法和等離子體工藝對PCB進行表面改性，以對比兩種表面改性工藝的效果。其中等離子體處理的工藝條件為：氣壓0.2 MPa，放電功率400 W，時間3 s。

2.1.1 潤濕性

從圖3可以看出，未經(jīng)處理的PCB表面水接觸角約為70°；經(jīng)化學(xué)濕法處理后水接觸角降低到40°左右，表面潤濕性有所改善；低溫等離子體處理后PCB的表面水接觸角僅20°左右，潤濕性最好。因為空氣在經(jīng)高壓電離后會產(chǎn)生顯電中性的高活性自由粒子，這些粒子與PCB表面的物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)后會生成親水基團，使得PCB表面的潤濕性增強；另外，在等離子體處理過程中附帶的刻蝕作用也會令PCB表面粗糙度增大，進而增大了固液之間的接觸面積。

圖3 采用不同工藝處理前后的PCB表面的水接觸角Figure 3 Water contact angles of PCB before and after being treated by different methods

2.1.2 表面粗糙度

從圖4可知，經(jīng)化學(xué)濕法處理后PCB表面的臺階高度約為1 093 nm，經(jīng)等離子體處理后的臺階高度在1 886 nm左右，說明等離子體處理時PCB的表面粗糙度明顯高于化學(xué)濕法處理時，這也是等離子體處理使PCB表面潤濕性更好的主要原因之一。

圖4 采用不同工藝處理后PCB表面的臺階高度分布Figure 4 Distribution of step height on surface of PCB after being treated by different methods

2.1.3 粘附性

采用50 dyn/cm(即50 mN/m)的達因筆在PCB表面進行涂寫。從圖5可以看出，化學(xué)濕法處理的PCB表面筆跡出現(xiàn)斷連與收縮，涂寫區(qū)域顏色深淺不一，說明經(jīng)化學(xué)濕法處理后PCB的表面張力低于50 dyn/cm；而低溫等離子體處理的PCB表面筆跡分布均勻，完整地鋪開，說明經(jīng)等離子體處理后PCB表面張力≥50 dyn/cm。表面張力是反映材料表面粘附性的關(guān)鍵指標(biāo)，表面張力越大，表示液體膠粘劑在其表面的粘附性越好，因此等離子體處理后PCB表面的粘附性要優(yōu)于化學(xué)濕法處理后，可以與膠粘劑之間取到更好的膠接效果。

圖5 50 dyn/cm的達因筆在經(jīng)不同工藝處理的PCB表面留下的筆跡Figure 5 Marks of dyne pen (50 dyn/cm) left on surface of PCB treated by different methods

2.2 工藝參數(shù)對等離子體處理效果的影響

2.2.1 功率的影響

在氣壓為0.2 MPa、功率不同的條件下對PCB進行等離子體處理3 s。由圖6可見，隨功率增大，PCB表面的水接觸角先減小后略增。在500、600和700 W的功率下等離子體處理后，PCB的水接觸角較小，即潤濕性較好。由此可見，等離子體放電功率對PCB的改性具有顯著影響，適當(dāng)增大功率能夠增強改性效果，提高PCB的潤濕性。但功率達到一定值時，繼續(xù)增大功率對PCB潤濕性的改善效果變化不大，甚至可能變差。產(chǎn)生此現(xiàn)象是由低溫等離子體表面處理的作用方式?jīng)Q定的：等離子體處理過程中材料表面可能引入特定官能團，對表面起到刻蝕作用，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)層或者生成表面自由基，這些作用一般不是單一存在，往往是以某種作用為主，幾種作用并存。當(dāng)功率過高時，等離子體內(nèi)的高能粒子增加，刻蝕作用增強，一部分已接枝的官能團被重新刻蝕掉[13]，使水接觸角略升。

圖6 等離子體處理過程放電功率對PCB表面水接觸角的影響Figure 6 Effect of discharge power during plasma treatment on water contact angle of PCB surface

2.2.2 氣壓的影響

根據(jù)物理化學(xué)反應(yīng)的基本原理，反應(yīng)一般與壓力成正比，隨著壓力的升高，參與反應(yīng)的自由基變多，反應(yīng)加快[14-15]。而氣體壓強越低，分子的平均自由程越長，分子間的碰撞概率越大，積累的能量就越多，粒子的攻擊力也就越強[16-17]。

從圖7可以看出，在功率一定的條件下，隨氣壓從0.1 MPa升高到0.6 MPa，PCB的水接觸角先減小后增大，在功率為500 W、氣壓為0.4 MPa時，PCB的水接觸角最低，約為14.8°，潤濕性最好。這是因為氣壓升高意味著等離子體密度增大。對于以空氣作為介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)主導(dǎo)的等離子體表面處理而言，等離子體密度的增大能夠顯著提高等離子體的清洗速率和效果。但氣壓持續(xù)增大會導(dǎo)致粒子能量降低，進而影響粒子轟擊到表面所產(chǎn)生的刻蝕效果。

圖7 等離子體過程氣壓對PCB表面水接觸角的影響Figure 7 Effect of gas pressure during plasma treatment on water contact angle of PCB surface

3 結(jié)論

采用等離子體處理后PCB的表面潤濕性優(yōu)于采用化學(xué)濕法處理時。在氣壓0.4 MPa、放電功率500 W和溫度25 °C的條件下對PCB等離子體處理3 s，PCB表面的靜態(tài)水接觸角約為14.8°，潤濕性最好。