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2072023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating基于负载面积的Plasma工艺能力研究 Paper Code:S-026 宋伟伟 武凤伍（无锡深南电路有限公司，江苏 无锡 214412）摘 要 随着第五代移动通信技术（5G）的快速发展，高速材料的Low DK特性在信号传输方面有着极高的优势，因而被越来越多的应用到5G产品上，此类材料钻孔后的钻污通常通过等离子去钻污的方式去除。本文主要研究了等离子去钻污参数加工高速材料的能力，通过研究印刷电路板（PCB）的孔壁树脂面积（S）、板厚（h）和厚径比（AR）与PCB去钻污量（D）之间的关系，并进行了函数拟合，最终建立了孔壁树脂面积、板厚和厚径比与去钻污量的函数关系模型，实验结果表明：在同一等离子去钻污参数下，孔壁树脂面积与去钻污量成反比例关系；去钻污量随着PCB的板厚和厚径比的增加而减小；孔壁树脂面积、板厚和厚径比与去钻污量的函数关系为D=367.6S-1e-0.2108h-0.03345AR。关键词 等离子体；去钻污量；板厚；厚径比 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0207-07 Study on the capability of Plasma process parameters based on load areaSong Weiwei Wu Fengwu Abstract With the rapid development of the fifth-generation mobile communication technology(5G),the Low DK characteristics of high-speed materials have obvious advantage in signal transmission,and thus are applied in 5G products.Such materials drill residues are usually removed by plasma.This paper main studied the ability of the high-speed materials for plasma degradation parameters,explored the relationship between hole wall resin area(S),thickness(h)and aspect ratio(AR)and desmear amount(D).It established and verified the model for the PCB thickness and thicker ratio and desmear amount.The experimental results showed as below:under the condition of the same plasma decontamination parameter,the hole resin area was inversely proportional to the amount of desmear.The amount of desmear increased as the PCB thickness and thicker ratio decreased.The relationship between the amount of desmear,PCB hole wall resin area,PCB thickness and thicker ratio was D=367.6S-1e-0.2108h-0.3345AR.Key words Plasma;Desmear Amount;Plate Thickness;Aspect0 前言随着电子信息产业的持续升级，特别是第五代移动通信技术（5G）时代的到来，对印制电路板（PCB）在信号传输上提出了更高的要求，高速材料的低Dk特性在信号传输方面有着极高的优势，因此越来越多的应用到5G通信产品上，然而因为高速材料的树脂极性低以及填料复杂，在加工过程中，钻孔产生的胶渣很难被传统的化学去污方式去除，2023春季国际PCB技术/信息论坛208电镀涂覆 Electroplating and coating通常采用等离子去钻污的方式去除12。等离子去钻污的原理是在射频电场的作用下，O2、CF4和N2等气体被电离成具有高活性的离子基团、电子和自由基，离子和自由基几乎能与所有的有机物（尤其是树脂）进行反应，生成HF、H22O、CO2和NO2等可挥发性产物，所以高频、高速和聚四氟乙烯等材料的PCB通常采用等离子的方法进行去钻污。关于等离子去钻污的功率、温度、气体比例等因子对去钻污量以及层间分离等缺陷的影响，宋伟伟等相关研究者34已有详实的研究，但是实际生产过程中，PCB产品结构复杂，PCB板件特性、如孔壁面积（负载面积）、板厚和厚径比等对PCB的等离子去钻污量均有影响，单一的等离子参数的能力范围未知且有限，因而本人通过对板件特性，孔壁面积、板厚以及厚径比对去钻污量的研究，探究等离子去钻污参数的能力范围，建立根据板件特性选择参数的方法。1 实验部分1.1 实验仪器和材料仪器：等离子去钻污机，ANPT-V30，安普特仪器有限公司；电子天平，CP214，奥豪斯仪器有限公司。材料：覆铜板，半固化片。1.2 实验方法1.2.1 实验流程下料内层图形棕化层准层压钻钯铣边钻孔外形等离子去钻污1.2.2 实验方法首先用电子天平测量去钻污前钻孔试片的重量m1，然后将钻孔试片用高温胶带贴在图2-1的工具板的铣槽中，将工具板装入等离子去钻污机中，设置参数程序，等离子去钻污后，用去离子水洗净试片，在120 烘箱中烘30 min，然后测量钻孔试片等离子去钻污后的质量m2。去钻污量（D）计算公式如式1-1：式（1-1）式1-1中：m1为试片去钻污前质量，g；m2为试片去钻污后质量，g；S为孔壁的表面积=d（孔径）h（板厚）N（孔数）/100，cm2。图1-1 工具板示意图12式 2-12092023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating1.2.3 实验条件表1 等离子参数2 结果与讨论2.1 载面积与去钻污量的关系等离子参数为A，通过调整工具板上的不同负载面积的钻孔试片（板厚1 mm，厚径比10:1，孔数不同），研究了负载面积与去钻污量和总损重量的关系，实验结果见图2-1，由图2-1可见，板件的去钻污量随负载面积的增加而减小；不同负载面积，试片总的损重量先减小，后逐步稳定在93000 mg左右，这说明参数一定时，设备能处理的树脂量是定值。这是因为对于参数A，功率、温度、气体比例和气体量一定，所以在此条件下电离出的等离子体的摩尔量是一定的，等离子体的电离度10-4，反应物孔壁树脂的物质的量相对于等离子体的物质的量而言是显著过量的，等离子体与树脂充分反应的条件下，能与之反应的树脂的量也是一定的，所有设备能处理的树脂质量是定值。图2-1 负载面积与去钻污量（左）/损重量（右）的关系曲线上述研究表明对于参数A，设备能处理的树脂总量是定值，而去钻污量的定义是单位面积损失的质量，为定值，则表明负载面积与去钻污量成反比例关系。所以对负载面积与去钻污量的关系曲线进行了反比例函数拟合，见图2-2，拟合的反比例函数关系为D=347.354/S，R-Sq为98.6%表明反比例函数回归模型与数据相关性显著，负载面积与去钻污量成反比例关系。2.2 不同参数的负载能力与去钻污量的关系上述研究表明在A参数条件下，负载面积与去钻污量成反比例关系，为了验证这一关系模型的适用性，分别调整了参数A的功率、温度、气体比例，建立了三个新参数B、C和D，三个参数能力下，负载面积与去钻污量的关系曲线见图2-3。对三条曲线均进行了反比例函数拟合，R-Sq均98.0%，说明在不同参数条件下，板件负载面积与去钻污量也成反比例关系，关系模型为D=k/S，其中k为比例系数，为损重量 的修正系数，与等离子去钻污参数的功率、温度和时间等相关。等离子参数 功率/KW 温度/!时间/min 气体比例/O2:CF4:N2 气体流量/(L/min)A 5.0 70 10 5:2.5:2.5 1.2 B 6 70 10 5:2.5:2.5 1.2 C 5.0 60 10 5:2.5:2.5 1.2 D 5.0 70 10 6:2:2 1.2 E 5.0 70 20 5:2.5:2.5 1.2 1400120010008006004002002.01.51.00.5S/cm2D/（mg/cm2）130011009007006004002001000080006000400020000负载面积/cm2损重量/mg9166924591889247954597629834=/,D=347.354/S,R-Sq=/,D=347.354/S,R-Sq2023春季国际PCB技术/信息论坛210电镀涂覆 Electroplating and coating2.3 负载面积与去钻污量关系的验证选择不同负载面积的钻孔试片，用不同的参数进行等离子去钻污，对拟合曲线进行了验证，数据见表2-1，采用双样本T检验方法对理论去钻污量与试片实际去钻污量进行了分析，结果见图2-4。数据分析结果为：差值=0(与)的T 检验，P值=0.874，其中P值0.05，即可说明样本之间没差异，理论和实际去钻污量基本吻合，验证了拟合曲线的正确性。图2-2 负载面积与去钻污量的拟合关系曲线 1400120010008006004002002.01.51.00.50.0S/cm2D/（mg/cm2）回归95%置信区间D=347.354*S-1图2-3 不同参数B/C/D的负载面积与去钻污量的关系曲线1400120010008006004002002.01.51.00.5S/cm2D/(mg/cmD/(mg/cm2)S/cm2D/(mg/cmD/(mg/cm2)S/cm2D/(mg/cmD/(mg/cm2)回归95%置信区间D=401.231*S-1 参数 B1400120010008006004002001.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0回归95%置信区间D=309.932*S-1 参数 C1400120010008006004002001.61.41.21.00.80.60.40.2回归95%置信区间D=284.936*S-1 参数D2112023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating表2-1 负载面积与去钻污量关系验证数据图2-4 理论去钻污量与实际去钻污的双样本t检验2.4 不同板厚和厚径比对去钻污量的影响板件负载面积700 cm2，板厚2 mm，厚径比与去钻污量的关系曲线见图2-5。板件负载面积700 cm2，厚径比10，板厚与去钻污量的关系曲线见图2-6。由两者的实验结果可见，在板厚一定的情况下，去钻污量随着板厚的增加而减少，这是因为厚径比越大，孔径越小，反应过程中的传质越困难，所以去钻污量越小；厚径比相同的情况下，板厚越厚，传热速率越慢，板件升温慢，实际反应温度越低，所以去钻污量也越小。分别对板厚和厚径比与去钻污量的关系曲线进行了非线性拟合，板厚与厚径比与去钻污量的拟合函数关系分别为 D=0.429961e-0.03345AR，D=0.465136e-0.2108 h。2.5 板件特性与去钻污量的函数关系由上述结果可知，负载面积、板厚和厚径比的指数函数与去钻污量均成反比例关系，以负载面积与去钻污量的反比例关系为基础函数模型，基于3.1节在一定参数条件下，树脂反应物也是一定量的结论，为了简化模型，拟将板厚和厚径比作为对负载面积的修正，确定去钻污量与负载面积的关系曲线为D=kS-1e-0.2108 h-0.03345 AR，其中k为比例系数，与参数的功率、温度和时间等相关。通过测定不同特性板件的去钻污量，根据函数关系，计算出比例系数k为367.6，所以板件特性与等离子去钻污参数A的去钻污量的关系函数为D=367.6S-1 e-0.2108 h-0.03345 AR。钻孔试片面积/cm2 理论去钻污量/mg/cm2 试片实际去钻污量/mg/cm2参数 1670 0.208 0.214 A 1085 0.320 0.308 A 820 0.501 0.523 B 500 0.802 0.838 B 1280 0.242 0.264 C 620 0.500 0.536 C 1150 0.248 0.259 D 600 0.476 0.487 D 0.80.60.40.2理论去钻污量实际去钻污量在显著差异(p 0.05)。理论去钻污量 的均值与 实际去钻污量 的均值之间并不存 0.50.10.050否否是是P=0.8740.20.10.0-0.1-0.2前查找异常数据。-数据分布:比较样本的位置和均值。用于在解释检验结果之间。定性。您可以 95%确信实际差值介于-0.23743 和 0.20443-置信区间:通过估计样本数据的差值量化与之相关的不确值之间存在差异。-检验:没有足够的证据断定,显著性水平为 0.05 时,均样本数量88均值0.412120.42863 95%置信区间(0.2456,0.5787)(0.25328,0.60397)标准差0.199190.20973 统统计计量量理理论论去去钻钻污污量量实实际际去去钻钻污污量量-0.0165(-0.23743,0.20443)均值之间的差值*95%置信区间*所定义的差值为 理论去钻污量-实际去钻污量。理论去钻污量和实际去钻污量的均值的双样本t检验汇总报告理论去钻污量和实际去钻污量的均值的双样本t检验汇总报告数数据据分分布布比较样本的数据和均值。均均值值之之间间是是否否存存在在差差异异?差差值值的的 9 95 5%置置信信区区间间区间是否包含零?注注释释 2023春季国际PCB技术/信息论坛212电镀涂覆 Electroplating and coating20.017.515.012.510.07.55.00.380.360.340.320.300.280.260.240.220.20ARD/(mg/cm2)回归95%置信区间D=0.429961*exp(-0.03345*AR)图2-5 不同厚径比与去钻污量关系曲线图2-6 不同板厚与去钻污量关系曲线D/(mg/cm2)5.04.54.03.53.02.52.00.400.350.300.250.200.150.10h/mm回归95%置信区间D=0.465136*exp(-0.2108*h)表2-2 不同特性板件的去钻污量2.6 等离子去钻污参数选择方法板件特性与等离子去钻污参数A的去钻污量的关系函数为367.62S-1e-0.2108 h-0.03345 AR，业内认为板件去钻污量在0.1 mg/cm20.3 mg/cm2之间，具有良好的孔壁质量，所以可以通过板件特性与去钻污量的函数关系，确定等离子去钻污参数A的能力适用范围。例如，板厚为2 mm，厚径比为10的板件，根据函数关系可知，板件的负载面积应在880 cm2 1758 cm2之间。反应时间与去钻污量的关系曲线见图2-7，反应时间与去钻污量成正比，反应时间为20 min的参数E的k值为参数A的两倍，其负载面积、板厚和厚径比与等离子的函数关系为367.62S-1e-0.2108 h-0.03345 AR。因而对于超出某一等离子参数能力范围的板件，可通过改变反应时间来建立新的离子去钻污参数，覆盖工厂所有不同类型的板件，避免繁杂的等离子参数研究。按照此参数选择逻辑加工的板件的效果见表2-3，所加工的板件的孔壁质量均满足IPC标准。负载面积/cm2 板厚/mm 厚径比 去钻污量/（mg/cm2）k 900 2 10 0.19 380.3 600 3 15 0.23 360.5 400 5 12.5 0.20 361.7 2132023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating图2-7 反应时间与去钻污量的关系曲线表2-3 实际板件加工效果表3 结论文章主要对等离子参数工艺能力进行了研究，探究了板件的负载面积、板厚以及厚径比去钻污量的关系，建立了依据板件特性选择参数的方法，提供了一种等离子去钻污参数工艺能力研究的思路，其具体的实验结论如下：（1）参数一定时，板件的孔壁负载面积与去钻污量成反比，其中k比例系数；（2）板厚和负载面积一定时，板件的厚径比的指数函数与去钻污量成反比，其中k和k1比例系数；（3）厚径比和负载面积一定时，板件的板厚的指数函数与去钻污量成反比，其中k和k1比例系数；（4）板件特性与去钻污量的函数关系模型为 ，其中k、k1和k2比例系数。参考文献1 龚勇林.等离子技术与印制板生产中应用J.印刷电路信息,2006(9):12-15.2 刘根,戴晖,刘喜科等.陶瓷填充PTFE高频混压板通孔等离子体去钻污参数选择J.印刷电路信息,2021(9):34-39.3 宋伟伟.等离子去钻污工艺对层间分离权限的改善研究J.印刷电路信息,2018(11):43-46.4 陈于春,黄蕾.等离子设备加工高厚径比产品工艺研究J.印刷电路信息,2014(8):28-31.第一作者简介宋伟伟，无锡深南电路有限公司，无锡一厂技术部。30252015101.21.11.00.90.80.70.60.50.40.3时间/minD/(mg/cm2)S0.0215252R-Sq99.6%R-Sq(调整)99.5%D=-0.05600+0.03780*时间表3-3 实际板件加工效果表 序号 面积/cm2 板厚/mm 厚径比 参数选择 理论去钻污量/mg/cm2 凹凸度/!m 芯吸/!m 照片 1 514 2.8 14 A 0.253 10.6 15 2 236 3 15 A 0.515 15.7 17.5 3 1010 2.8 14 E 0.262 9.0 12.1 4 622 2.6 13 E 0.453 13.0 18.6 367.6 2 10.2018h0.03345=1367.6 2 10.2018h0.03345=1=1h,其中 和k1=11h2,其中 k、k1和 k2比例系=1h,其中 和k1=11h2,其中 k、k1和 k2比例系