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隨著(zhù)5G時(shí)代的到來(lái),通訊設備的高頻高速需求日益凸顯。作為搭接半導體器件的印刷電路板(PCB)基板材料,它的高頻高速化發(fā)展尤為重要。高頻高速信號傳輸的趨膚效應將會(huì )更加嚴重,即信號更加集中于銅導體的表層,這意味著(zhù)電子銅箔表面粗糙度對信號損失的影響呈指數級的增加。因此,相較于常規電子銅箔,高頻高速用電子銅箔需要發(fā)展(超)低粗糙度表面以減小信號損失。然而,粗糙度的降低會(huì )不可避免地導致PCB基板中銅箔/樹(shù)脂界面結合力的下降,難以滿(mǎn)足工業(yè)應用的要求。因此,如何在降低銅箔表面粗糙度的同時(shí),保證良好的界面結合力,是高頻高速PCB基板研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

PCB基板中銅箔/樹(shù)脂界面結合力主要來(lái)自于兩個(gè)方面:一是由銅箔表面粗糙輪廓提供的機械錨合作用,二是銅箔和樹(shù)脂間產(chǎn)生的化學(xué)鍵合作用,通常利用能夠連接無(wú)機/有機界面的硅烷偶聯(lián)劑來(lái)實(shí)現有效的化學(xué)鍵合力。就常規PCB基板而言,銅箔表面粗糙度大,界面結合力主要由機械錨合作用提供,化學(xué)鍵合充當輔助作用。對于高頻高速PCB基板,銅箔粗糙度大大降低,機械錨合作用減小,為了滿(mǎn)足界面結合力的要求,必須采取措施增加化學(xué)鍵合作用,減少對粗糙度的依賴(lài)。提高化學(xué)鍵合作用的措施大體上分為兩個(gè)方面,包括開(kāi)發(fā)新的界面黏合劑,例如改性的硅烷偶聯(lián)劑等;另一種是直接對基材(通常是樹(shù)脂)進(jìn)行改性,增加其表面化學(xué)活性。相比于新型黏合劑的開(kāi)發(fā),這種物理或化學(xué)方式直接改性基材的方法更加簡(jiǎn)單且工業(yè)化成本低。樹(shù)脂表面直接改性以提高金屬/樹(shù)脂結合力的方法包括化學(xué)刻蝕、激光處理、紫外輻照、等離子處理等。其中,等離子表面處理具有污染小、操作方便、對基體整體性能和強度影響小等優(yōu)點(diǎn),是一種很有前景的表面處理方法。近年來(lái),等離子處理也逐漸用于改善銅箔/樹(shù)脂的界面結合性能。

等離子處理樹(shù)脂表面形貌和化學(xué)狀態(tài)

銅箔/樹(shù)脂界面結合力主要來(lái)源于兩部分,由粗糙度提供的機械錨合作用和化學(xué)鍵合作用。為了進(jìn)一步提高低粗糙度銅箔與樹(shù)脂的結合力,使其滿(mǎn)足工業(yè)應用要求,在常規工藝路線(xiàn)上增加了對樹(shù)脂半固化片的等離子處理,本文將研究等離子處理后的環(huán)氧半固化片和聚苯醚半固化片的表面形貌以及表面化學(xué)狀態(tài)的變化。

圖1為環(huán)氧樹(shù)脂半固化片和聚苯醚樹(shù)脂半固化片等離子處理前后表面形貌的SEM圖像。由圖1可知,經(jīng)過(guò)等離子處理后,兩種樹(shù)脂半固化片的表面形貌并未發(fā)生明顯的變化。由此推測,表面的變化可能更多地出現在表面化學(xué)狀態(tài)上。

  圖1  等離子處理前后樹(shù)脂半固化片表面SEM圖像 

為了進(jìn)一步分析表面化學(xué)狀態(tài)的變化，對等離子處理前后的環(huán)氧樹(shù)脂和聚苯醚樹(shù)脂半固化片進(jìn)行了XPS表征。圖2為等離子處理前后環(huán)氧樹(shù)脂半固化片表面的XPS譜圖。其中，圖2a和圖2d是XPS全譜，對應的元素含量如表2所示。由圖2可知，未處理的環(huán)氧樹(shù)脂,表面顯示出強烈的C1s和O1s峰但是沒(méi)有N1s峰。經(jīng)過(guò)等離子處理后的表面，01s峰進(jìn)一步增強，且出現明顯的N1s峰。由表2可知經(jīng)過(guò)等離子處理的環(huán)氧樹(shù)脂表面，0元素的含量顯著(zhù)增加，O/C值由0.140增加到0.254。上述分析表明,等離子處理后的環(huán)氧樹(shù)脂表面,生成了更多的含O、N基團,表面極性增強,有利于黏接強度的提高。圖2b和圖2e為經(jīng)過(guò)分峰擬合后的C1s精細譜圖,可以看出,未處理的環(huán)氧樹(shù)脂表面主要為C—C/C—H和C—O兩個(gè)主峰;經(jīng)過(guò)等離子處理后,C—O峰強度有所降低,新的O—C=O峰出現,即強極性基團COOH的大量生成。與之對應,圖2c和圖2f中的O1s精細光譜表明,等離子處理后的環(huán)氧表面,O—C鍵含量降低,O=C(對應COOH基團)大量生成。上述分析表明,等離子處理后大量活性基團COOH等增加,環(huán)氧樹(shù)脂表面的化學(xué)活性增強,這將有利于其和銅箔之間化學(xué)鍵合作用的提高。

圖2 環(huán)氧樹(shù)脂表面的XPS譜圖 

相較于環(huán)氧樹(shù)脂,聚苯醚是一種表面“化學(xué)惰性”樹(shù)脂,這意味著(zhù)它和銅箔表面更難產(chǎn)生良好的化學(xué)鍵合作用,黏合力差,因此研究等離子處理對聚苯醚樹(shù)脂表面化學(xué)狀態(tài)的影響具有重要的意義。圖3是等離子處理前后聚苯醚樹(shù)脂半固化片表面的XPS譜圖。由XPS全譜圖3a、圖3d和表2可知,經(jīng)過(guò)等離子處理后的聚苯醚表面,O/C值有所增加,且N1s信號明顯增強,即表面生成了更多的含O、N基團,化學(xué)反應性增強,這將有利于黏合強度的提高。圖3b和圖3e是分峰擬合后的C1s精細譜圖,可以看出,未處理的聚苯醚樹(shù)脂表面主要顯示C—C/C—H、C—O、C=O和O—C=O主峰;經(jīng)過(guò)等離子處理后,C=O峰消失,C—O峰強度有所增強。圖3c和圖3f為O1s精細光譜,等離子處理后的聚苯醚表面,O—C和O=C鍵含量有所增加。上述分析表明,等離子處理后的聚苯醚樹(shù)脂表面,活性基團COOH和C—OH含量增加,表面的化學(xué)活性增強,其與銅箔之間的化學(xué)反應性也隨之提高。

圖3 聚苯醚樹(shù)脂表面的XPS譜圖 

等離子處理對銅箔/樹(shù)脂剝離強度的影響

為了更加直觀(guān)地表征等離子處理對銅箔與樹(shù)脂界面結合力的影響,測試了等離子處理前后環(huán)氧樹(shù)脂和聚苯醚樹(shù)脂與鍍層S和裸銅熱壓成型的各類(lèi)PCB基板的剝離強度。圖4顯示了環(huán)氧樹(shù)脂基PCB基板的剝離強度值。由圖4可知，等離子處理后的裸銅環(huán)氧樹(shù)脂界面的剝離強度從0.21N/mm增加到0.31N/mm，提高了48%，但是由于銅表面缺少粗糙度提供的機械錨合作用,剝離強度仍然處于非常低的水平。等離子處理后的鍍層S/環(huán)氧樹(shù)脂界面的剝離強度從0.60N/mm提高到0.86N/mm，增加了43%:滿(mǎn)足了工業(yè)應用的要求(>0.8N/mm)。綜上可知:等離子處理對環(huán)氧樹(shù)脂與裸銅和鍍層S間的界面結合都有顯著(zhù)的提升作用。

圖4 環(huán)氧樹(shù)脂基PCB基板等離子處理前后剝離強度的變化 

如圖5所示,等離子處理同樣提高了黏合性能較差的聚苯醚樹(shù)脂基PCB基板的剝離強度。具體而言,等離子處理后的裸銅/聚苯醚樹(shù)脂界面的剝離強度從0.12N/mm提高到0.20N/mm,增加了67%。等離子處理后的鍍層S/聚苯醚樹(shù)脂界面,剝離強度從0.42N/mm提高到0.63N/mm,增加了近50%,聚苯醚基PCB基板的黏合強度大大提高,接近其使用要求(0.7N/mm)。由上述分析可知,等離子處理顯著(zhù)增強了聚苯醚樹(shù)脂與裸銅和鍍層S間的界面結合力。

  圖5 聚苯醚樹(shù)脂基PCB基板等離子處理前后剝離強度的變化

等離子處理能夠有效提高低粗糙度銅箔與環(huán)氧樹(shù)脂及聚苯醚樹(shù)脂間的粘接性能，等離子處理后的環(huán)氧/聚苯醚樹(shù)脂,表面形貌沒(méi)有明顯的變化,表面化學(xué)狀態(tài)發(fā)生了顯著(zhù)變化,主要體現在O/C含量比值上升,N元素的出現以及表面活性基團COOH、COH等含量的增加,結合力的提高來(lái)自于等離子處理后環(huán)氧樹(shù)脂表面化學(xué)活性的增強,為銅箔/樹(shù)脂界面提供了更強的化學(xué)鍵合作用。