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當(dāng)今社會(huì)已進(jìn)入高度信息化的社會(huì),隨著即將到來(lái)的5G時(shí)代、無(wú)人駕駛,移動(dòng)通訊設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)等廣泛應(yīng)用,高頻印制電路板的需求也隨之增加。在用于高頻高速材料樹(shù)脂中,PTFE市場(chǎng)份額最高時(shí)期達(dá)90%以上,在高頻領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但PTFE因有極強(qiáng)的惰性、低的表面能,具有疏水性,使得表面很難親水。而多層高頻印制電路板的層間電氣互連是通過(guò)金屬化孔來(lái)實(shí)現(xiàn),此過(guò)程對(duì)于PCB實(shí)現(xiàn)特殊表面功能特別重要,金屬化孔的可靠性直接關(guān)系到PCB的成敗。PTFE材料如果直接采用化學(xué)鍍銅或用常規(guī)高錳酸鉀等前處理工藝,難以改變其表面結(jié)構(gòu),導(dǎo)致孔無(wú)銅、孔銅結(jié)合力差等問(wèn)題發(fā)生。同時(shí)由于PTFE樹(shù)脂較軟,抵抗彈性形變的能力較差,熱膨脹系數(shù)較高,往往在其加入硬度較大的陶瓷等填料以減小Z方向的膨脹以增加PTFE板材的可靠性,這無(wú)疑增加了除膠和孔制作的難度與復(fù)雜性。目前行業(yè)內(nèi)主要用鈉萘處理法和等離子處理法進(jìn)行聚四氟乙烯電路板化學(xué)沉銅前處理。鈉萘處理法是通過(guò)鈉萘溶液浸蝕PTFE表面原子以達(dá)到活化潤(rùn)濕PTFE表面的目的。但該方法處理PTFE,會(huì)使其表面變黑變暗影響材料美觀,同時(shí)對(duì)操作人員有一定的危險(xiǎn)性和對(duì)環(huán)境容易造成污染。而等離子處理法相比鈉萘處理法,在改變PTFE的表面的同時(shí)而不影響其物理和化學(xué)本體特性,同時(shí)該方法操作簡(jiǎn)便,對(duì)環(huán)境友好。隨著環(huán)保意識(shí)和安全意識(shí)的加強(qiáng),等離子處理法相比鈉萘處理法必將是一種先進(jìn)又有前景的處理方法。

本文使用O2/CF4組合等離子氣體對(duì)鉆孔后的PTFE高頻板進(jìn)行處理。通過(guò)金相切片、熱應(yīng)力測(cè)試、接觸角測(cè)試、XPS測(cè)試研究了有無(wú)O2/CF4組合等離子處理通孔的影響。

有無(wú)O2/CF4組合等離子處理通孔的影響

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)金相切片、熱應(yīng)力測(cè)試、接觸角測(cè)試、XPS測(cè)試研究了有無(wú)O2/CF4組合等離子處理通孔的影響,其中等離子處理?xiàng)l件為O2流量300mL/min,CF4流量200mL/min,處理時(shí)間30min,處理功率8000W,處理溫度35℃,系統(tǒng)真空度35Pa。

金相切片分析

采用金相顯微鏡檢測(cè)鍍銅后孔的截面形貌,研究O2/CF4等離子對(duì)孔可靠性的影響。圖1-1(a)和圖1-1(b)分別顯示了未處理和等離子處理的孔樣品的金相顯微鏡照片。當(dāng)通孔沉銅前沒(méi)有等離子處理,沉銅電鍍完,可以觀察到孔壁具有粗糙的輪廓,而且部分區(qū)域沒(méi)有鍍上銅。相反,如圖1-1(b)所示,在等離子處理之后通孔孔壁實(shí)現(xiàn)了相對(duì)較低的孔粗糙度,而且銅均勻地鍍?cè)诹薖TFE鉆孔的孔壁上。

圖1-1 沒(méi)有等離子處理的孔的橫截面形態(tài)(a)和等離子處理的孔的橫截面形態(tài)(b) 

熱應(yīng)力分析

圖2-1給出了有和沒(méi)有等離子處理的PTFE鍍銅孔的熱可靠性測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過(guò)3次288℃/10s熱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)(IPC-TM-650)后,圖2-1(a)中發(fā)現(xiàn)了孔中有未填充的錫,銅裂紋,銅膜剝落和爆破。相反,具有等離子處理的樣品表現(xiàn)出更高的可靠性,如圖2-1(b)所示,孔壁表面形態(tài)保持良好,沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)破壞。因此,適當(dāng)參數(shù)的O2/CF4等離子處理是在PTFE鉆孔上獲得鍍銅的活性表面的必要步驟。

圖2-1 未經(jīng)等離子處理(a)和等離子處理(b)的樣品的PTFE孔可靠性檢查的橫截面圖 

接觸角分析

通過(guò)接觸角測(cè)試結(jié)果表明,較低的PTFE孔壁表面粗糙度有效地改善了孔壁表面鍍銅效果,表明等離子處理增加了表面活化效果。從圖3-1看出,未處理PTFE的表面接觸角從126.6°降低經(jīng)等離子處理的PTFE達(dá)到106.1°,表明PTFE表面的潤(rùn)濕性大大提高。

圖3-1 未經(jīng)處理的PTFE表面上的水接觸角(a)和等離子處理的PTFE表面上的水 接觸角(b) 

XPS分析

圖4-1顯示了等離子處理前后的PTFE表面的XPS光譜,以檢測(cè)化學(xué)官能團(tuán)的變化。從未處理和經(jīng)等離子處理的PTFE樣品中發(fā)現(xiàn)C、F和O元素,并且這些元素形成的官能團(tuán)表明PTFE表面的活化變化。

圖4-1 等離子處理前后的PTFE表面的XPS光譜 

圖4-2 未經(jīng)處理的PTFE表面的C1s光譜(a)和等離子處理的PTFE表面的C1s光 譜(b) 

圖4-3 未經(jīng)處理的PTFE表面的O1s光譜(a)和等離子處理的PTFE表面的O1s光 譜(b) 

圖4-2分別顯示了有和沒(méi)有等離子處理的PTFE表面的C1s光譜。在圖4-2(a)中,對(duì)于未處理的樣品,分別觀察到歸因于C-O、CF2-CF2和C-C/C-H基團(tuán)的286.0eV、292.2eV和284.7eV處的三個(gè)峰。包括CF2-CF2和C-C/C-H在內(nèi)的疏水基團(tuán)在PTFE表面中占絕大多數(shù),導(dǎo)致PTFE表面上難以鍍銅。然而,如圖3-2(b)所示,等離子處理PTFE表面顯然增加了大量的親水基團(tuán),如C=O、CF3、COO/COF,它們分別從XPS光譜中287.9eV、293.0eV和289.0eV的峰值處檢測(cè)到。

此外,如圖4-3顯示了有和沒(méi)有等離子處理的樣品的O1s光譜。如圖4-3(a)所示,從未處理樣品中觀察到OH(532.6eV)、CO(533.2eV)、Al-O(531.3eV)、Si-O(531.9eV)和Ca-O/Mg-O(530.6eV)。應(yīng)注意,檢測(cè)到的Al、Si、Ca和Mg元素來(lái)自增強(qiáng)的玻璃纖維和填充顆粒。如圖4-3(b)所示,等離子處理樣品的O1s光譜觀察到,在結(jié)合能為531.6eV、532.6eV和533.5eV時(shí)產(chǎn)生新的峰,分別為屬于C=O、COO和OF的化學(xué)基團(tuán)。

從以上結(jié)果可知,經(jīng)過(guò)O2/CF4等離子處理后,在PTFE表面上產(chǎn)生了化學(xué)親水基團(tuán)如CO、COO、COF和OF。經(jīng)過(guò)等離子處理后,它顯著提高了非活性的PTFE表面的潤(rùn)濕性。

通過(guò)有無(wú)O2/CF4等離子處理PTFE高頻板孔的對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)電鍍后通孔切片觀察和熱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)撿測(cè),等離子處理是提高PTFE高頻板孔金屬化質(zhì)量的有效方法。經(jīng)過(guò)接觸角測(cè)試,PTFE高頻板表面接觸角從126.6°有效降低到106.1°,表明等離子改性后PTFE表面的潤(rùn)濕性增強(qiáng)。XPS測(cè)量證實(shí)了在孔壁表面上形成了新的極性官能團(tuán)如CO、COO、COF和OF,增強(qiáng)了PTFE表面的潤(rùn)濕性,改善了銅的粘附性,等離子處理是提高PTFE高頻板孔金屬化質(zhì)量的有效方法。