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當今社會已進入高度信息化的社會,隨著即將到來的5G時代、無人駕駛,移動通訊設備、互聯網等廣泛應用,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脂中,PTFE市場份額最高時期達90%以上,在高頻領域得到廣泛應用。但PTFE因有極強的惰性、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金屬化孔來實現,此過程對于PCB實現特殊表面功能特別重要,金屬化孔的可靠性直接關系到PCB的成敗。PTFE材料如果直接采用化學鍍銅或用常規高錳酸鉀等前處理工藝,難以改變其表面結構,導致孔無銅、孔銅結合力差等問題發生。同時由于PTFE樹脂較軟,抵抗彈性形變的能力較差,熱膨脹系數較高,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,這無疑增加了除膠和孔制作的難度與復雜性。目前行業內主要用鈉萘處理法和等離子處理法進行聚四氟乙烯電路板化學沉銅前處理。鈉萘處理法是通過鈉萘溶液浸蝕PTFE表面原子以達到活化潤濕PTFE表面的目的。但該方法處理PTFE,會使其表面變黑變暗影響材料美觀,同時對操作人員有一定的危險性和對環境容易造成污染。而等離子處理法相比鈉萘處理法,在改變PTFE的表面的同時而不影響其物理和化學本體特性,同時該方法操作簡便,對環境友好。隨著環保意識和安全意識的加強,等離子處理法相比鈉萘處理法必將是一種先進又有前景的處理方法。

本文使用O2/CF4組合等離子氣體對鉆孔后的PTFE高頻板進行處理。通過金相切片、熱應力測試、接觸角測試、XPS測試研究了有無O2/CF4組合等離子處理通孔的影響。

有無O2/CF4組合等離子處理通孔的影響

本實驗通過金相切片、熱應力測試、接觸角測試、XPS測試研究了有無O2/CF4組合等離子處理通孔的影響,其中等離子處理條件為O2流量300mL/min,CF4流量200mL/min,處理時間30min,處理功率8000W,處理溫度35℃,系統真空度35Pa。

金相切片分析

采用金相顯微鏡檢測鍍銅后孔的截面形貌,研究O2/CF4等離子對孔可靠性的影響。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。當通孔沉銅前沒有等離子處理,沉銅電鍍完,可以觀察到孔壁具有粗糙的輪廓,而且部分區域沒有鍍上銅。相反,如圖1-1(b)所示,在等離子處理之后通孔孔壁實現了相對較低的孔粗糙度,而且銅均勻地鍍在了PTFE鉆孔的孔壁上。

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

熱應力分析

圖2-1給出了有和沒有等離子處理的PTFE鍍銅孔的熱可靠性測試結果。經過3次288℃/10s熱應力實驗(IPC-TM-650)后,圖2-1(a)中發現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出更高的可靠性,如圖2-1(b)所示,孔壁表面形態保持良好,沒有任何結構破壞。因此,適當參數的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

通過接觸角測試結果表明,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°降低經等離子處理的PTFE達到106.1°,表明PTFE表面的潤濕性大大提高。

圖3-1 未經處理的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,以檢測化學官能團的變化。從未處理和經等離子處理的PTFE樣品中發現C、F和O元素,并且這些元素形成的官能團表明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分別顯示了有和沒有等離子處理的PTFE表面的C1s光譜。在圖4-2(a)中,對于未處理的樣品,分別觀察到歸因于C-O、CF2-CF2和C-C/C-H基團的286.0eV、292.2eV和284.7eV處的三個峰。包括CF2-CF2和C-C/C-H在內的疏水基團在PTFE表面中占絕大多數,導致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,如C=O、CF3、COO/COF,它們分別從XPS光譜中287.9eV、293.0eV和289.0eV的峰值處檢測到。

此外,如圖4-3顯示了有和沒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)。應注意,檢測到的Al、Si、Ca和Mg元素來自增強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,在結合能為531.6eV、532.6eV和533.5eV時產生新的峰,分別為屬于C=O、COO和OF的化學基團。

從以上結果可知,經過O2/CF4等離子處理后,在PTFE表面上產生了化學親水基團如CO、COO、COF和OF。經過等離子處理后,它顯著提高了非活性的PTFE表面的潤濕性。

通過有無O2/CF4等離子處理PTFE高頻板孔的對比研究,發現經過電鍍后通孔切片觀察和熱應力實驗撿測,等離子處理是提高PTFE高頻板孔金屬化質量的有效方法。經過接觸角測試,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表面的潤濕性增強。XPS測量證實了在孔壁表面上形成了新的極性官能團如CO、COO、COF和OF,增強了PTFE表面的潤濕性,改善了銅的粘附性,等離子處理是提高PTFE高頻板孔金屬化質量的有效方法。