A-014等离子技术在印制电路板制造中的应用

The Plasma Technology in Printed Wiring Board Manufacturing等离子技术在印制电路板制造中的应用A-014 白泰逸(株)第四纪韩国电话：0082-32-817-8344、办公室：0512-5776-3887手机: 0082-11-688-8344地址：仁川广域市南洞区古栈洞705-9(南洞工团134B-12L).作者简介：BAEK TAE IL, 1984韩国汉阳大学工程技术专业毕业。1984年：LG/ 工程师；19841990年：Ingersoll - Rand (U.S.A.)公司/Technical applicati on Man ager； 1991 年：成立Jesagi Han kook Ltd./preside nt； Manager of R&D Center。自1991年2000年：成功研发了等离子清洗 系统(Plasma clea ning System) &半导体清洗系统(Semic on ductor Cleaning)； PCB等离子Desmear系统；PCB，半导体，Chip LED， 聚合体表面改质；等离子金属材料表面处理系统；激进分子氮化系统 (Radical Ion Nitriding System) ；等离子除去异味系统；等离子杀菌 系统(水，空气)和等离子聚合系统。荣获1995年韩国每年一次仅选一 人的大韩民国技术革新大奖。摘要：通过辉光放电，等离子技术对印制电路板表面处理和清洁具有显著的效果。在传统的制造工 艺中使用高锰酸系列药水处理胶渣，但随着原材料的复杂化去除Via Hole中的胶渣已经不再有效或 信赖性降低了。低压等离子技术进入了U-PWB产品领域，应用领域远远不止微型导通孔处理。特别 是，等离子制程可以很容易地取代化学制程和非常复杂材料的蚀刻。因此，我们将讨论等离子技术 在印制电路板生产， 参数，制程中的特殊应用。关键词：等离子，除胶渣(Desmear),印制电路板，表面清洁(Descum),蚀刻Abstract. Glow discharge, Plasma techniques are particularly useful for surface treatment and cleaning PWB. Traditional manufacturing methods, chemical processing with permanganate chemistry for removing residue from the vias and surface cleaning are no longer effective. Low Pressure Plasma is now entering thue-PWB production can be used for more than the manufacturing of micro vias. In particular, very complex contours can simply be etched by Plasma process instead of chemical processing. Hence, the specific applications of plasma technology to PWB manufacturing, parameters, and processes will be discussed.Keywords: Plasma, Desmear, PWB(Printed Wiring Board), Descum, Etching导言等离子是具有一定颜色的准中性电子流，是由离子，电子，原子以及自由激进分子（Free Radical） 组成。产生等离子的最简单的原理是真空腔体内的两块平行电极（如图1）. 用真空泵降低腔体内的 真空度，然后用能量发生器输出的高频电压使导入的气体离子化，这种环境被称为物质的第四种状 态. 各种原子和电子被离子化，被激化而且其运动是不连续的，无序的具有高的能量，所以组成反 应性很强的混合物质对物体的表面具有很强的物理化学作用。比如，产生的活性气体与物体的表面 发生化学反应，表面清洁，交叉耦合，蚀刻和表面改质等作用 （如图2）. 等离子技术的优势在于可 控制性，可再生性，亲环境性。图1.最简单的生成Plasma的原理图 2. 等离子处理1. 等离子除胶渣和回蚀：“等离子制程可以解决孔内空洞，胶渣残留，内层铜层电性结合不良以 及回蚀不足的问题”等离子制程可以被用来去除钻孔过程中产生的树脂残留，也称之为钻污。它阻碍了金属化过程中孔 铜与内层铜层的连接。为了能够提供良好电镀层与树脂，玻璃纤维和铜之间的结合力，这些胶渣必 须去除干净。因此，等离子除胶渣和回蚀确保了镀铜之后的电性连接。等离子的参数，混合气体种 类， Power 能量，每一部的工作压力，处理时间，气体流量等基础性参数在去除钻污的过程中均有 效的扮演了一个角色。典型的等离子回蚀或除胶渣的过程需要使用到 3 种气体：氧气，氮气和四氟 化碳。等离子混合体中的氟离子表现很强的活性，它具有侵略性和聚合体攻击性。图 3 显示了 PWB 中等离子除胶渣和回蚀的反应机理。O2, CF4, N2, H2在高电场的作用下被分解和加速形成高能量 的复杂的准中性电浆，引发基材的新的物理化学反应。化学反应产物CO, HO图3.等离子除胶渣和回蚀的反应机理气体流量主要由真空腔体体积和真空泵系统决定，通过MFC控制器精确的进入腔体。因为活性气体 核素在气体的入口处对物质的处理速度要比在腔体深处衰竭后的要快。鉴于这个原因，气体分布的 控制必须确保使整个腔体中基板被均匀处理的状态。频率在(40 kHz 13.56 MHz)的等离子系统 工作压力通常控制在100 300 mTorr 。更强的回蚀可以通过提高处理时间来获得，更高的能量一 般可以缩短处理时间。因为所有的等离子制程都由这些参数组成，所以制程参数必须通过多次实验 来进行优化。在图4中非常清楚地显示出多层软性电路板被等离子除胶渣处理前后的孔内状况。制 程参数请见表一。表一.等离子除胶渣制程条件Power (W)Process Time (sec)GasTempera tu re(C)PartialPressure(Torr)45001200O, CF., N450.25传统的湿制程除胶渣技术是由三个过程组成：碱性槽，高锰酸钾槽，酸性中和槽。多层板中发现的 因药水在小孔中流动性和渗透性给湿制程除胶渣技术带来了很大的限制。图5 (a)显示了湿制程发 生的smear残留导致的孔铜与内层铜层之间结合不良问题切片图片，图5 (b )显示了合适的的等离子制程带来的良好的回蚀和优质的铜层连接。湿式除胶渣技术在微小孔除胶渣方面由于除胶能力的局限性很难发挥真正的效果。(a) 等离子处理前Fig. 4多层板Plasma处理前后的切片图(b) 等离子处理后(a) 等离子处理前(b) 等离子处理后2.等离子表面处理和改质：“等离子清洗和改制技术降低软性多层HDI基板的镀铜不良率，” 典型的等离子回蚀或除胶渣过程，需要进行 3 个步骤来去除胶渣。在这个过程中，板面温度是一个 重要的参数。St epl:为了减少电路板材料的化学反应，02和N2混合气体的电浆被用来加热电路板。视不同的树 脂会加热到70-90度，此外会提供更高的RF能量(4-6KW)来加速加热。St ep 2:温度和时间控制达到设定值后自动切换到第二步骤。这个步骤将使用到蚀刻气体CF , O和42%的混合气体。通常活性氟离子能够有效的从通孔内去除树脂。但是很高的温度会破坏板子，尤其 是薄板或软性板，因此准确的温度控制能够避免这些问题的发生。通常等离子处理的时间大约在 525分钟左右，根据孔内胶渣量的多少控制等离子处理时间。Step 3:清洁和活化板面和孔内，利用02的燃烧反应去除第二步反应产生的副产品和氟元素。作业条件请参见表2表2.多层软性板的等离子制程条件St epPower (watt)GasTime (min)Temp (C)Pressure (Torr)RemarksI4800O , N2 2800.20 0.25预热II4000O , N, CF2244080022 0.28除胶渣III3000O25800.18 0.24清洗因为聚四氟乙烯(PTFE), Teflon材质具有不亲水性，非常难与电镀。为了完成电镀，电镀之前材 质表面必须变成亲水的。纯的Teflon材质需要做一个单独的步骤去活化通孔改质，大多数普通气 体用于形成Hydrogen (电)和Nitrogen (气)化合物。纯的Teflon基板大约需要20分钟左右的处 理时间。由于Teflon材质特有的反复特性，因此Teflon材质基板必须在等离子Desmear后24 小时内进入电镀。表3显示了处理条件。表3. Teflon材质等离子活化过程A条件St epPower (watt)GasTime (min)Temp (C)Pressure (Torr)RemarksI4500H , N2 2200.20 0.25处理前 处理后图6. Teflon 板等离子处理前后图片多层(Teflon/FR4)混合材质是为了供应高热，高电流的需求，仍然需要进行除胶渣。Teflon材质没 有胶渣，但是混合材质板仍然会与标准的硬板一样会产生同样的胶渣。因此等离子除胶渣和表面改 质需要同时完成。表4中的4个步骤。表4混合材质板等离子除胶渣和活化过程St epPower (watt)GasTime (min)Temp (C)Pressure (Torr)RemarksI8000O , N2 2800.25预热II7000O , N, CF22415800.26除胶渣III4000O210800.20清洗W6000H2 ,N215800.22改质图7.混合材质电镀后图片总结 印制电路板的中生产，关于参数和制程中等离子技术的准确应用问题，我们已经讨论过了。等离子 制程在PWB中的应用，如表面，微导通孔，盲/埋孔和通孔改质技术已经相当成熟。高性能，新材料 和高密度，高集成的线路需要更小的孔径和更细的线宽线距。高性能电路板制造的众多过程中需要 等离子技术，因此独特的等离子清洁和除胶渣技术在PWB的生产中将得到迅速发展。