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一种同时适用于垂直与水平去钻污工艺的膨胀剂
李卫明 孙国权 刘善东
（广东东硕科技有限公司，广东省广州市，邮编 510288）
摘要(中文)：
传统的垂直除胶、化学沉铜生产时间长，污染严重，适应的板材种类少等缺点，限制了其后续的发展。目前PCB制造设备逐渐由传统的垂直线向水平线和垂直连续式发展，自动化程度越来越高，逐渐由人力密集型向人力节约型发展。
近年来，随着直接电镀技术和水平化学镀铜技术的发展，各工序时间极大缩短，总工序时间可控制在11-15分钟左右。那么在短时间内，完成去钻污和孔金属化的过程，成了研究人员们新的挑战。
本文重点研究一种新型的去钻污的膨胀剂，通过从药水的参数优化上进行大量的实验，使得该膨胀剂既能用于垂直的除胶工艺，也能用于水平的除胶工艺。并找到了控制其除胶量的因素。
最后，希望本文能为去钻污工艺中产生的除胶不良提供一些解决的方向。
关键词（中文）：
膨胀剂； 除胶； 垂直与水平工艺
1 前言
印制电路板目前朝着高精度、高密度和高可靠性的方向发展，技术含量较高的多层板包括HDI板的增长率达到30%，我国电路板产业结构也正由低端逐渐向高端发展。传统的垂直除胶、化学沉铜生产时间长，污染严重，适应的板材种类少等缺点，限制了其后续的发展。
目前PCB制造设备逐渐由传统的垂直线向水平线和垂直连续式发展，自动化程度越来越高，逐渐由人力密集型向人力节约型发展。近年来，随着直接电镀技术和水平化学镀铜技术的发展，各工序时间极大缩短，总工序时间可控制在11-15分钟左右。那么在短时间内，完成去钻污和孔金属化的过程，成了研究人员们新的挑战。
对于多层线路板实现层与层之间的互联，现在传统的工艺是通过钻孔，然后在孔内实行孔金属化来实现。钻孔的过程会产生高温，使环氧树脂熔融并粘附于孔壁，如果不除去黏在内层铜表面上的钻污，将会严重影响后续铜层的附着力与导通性。
目前用于钻污去除的方法有多种，如物理的机械方法、化学的方法(如：浓硫酸去钻污、铬酸去钻污、高锰酸盐去钻污)，电解的方法(如：等离子去钻污)等等。最常用的去钻污方法是高锰酸盐去钻污，碱性高锰酸盐去钻污方法分为三个工序：膨胀、高锰酸盐去钻污、中和。膨胀剂通过相似相溶的原理，先将钻污进行溶胀，方便后续的高锰酸盐将钻污氧化去除掉。
传统的垂直除胶，膨胀时间一般在5-10分钟，而水平除胶，膨胀时间只有1-3分钟，怎样使得同一种膨胀剂既能用于垂直除胶又能用于水平除胶，方法除了调整配方外，还可以通过参数的优化来实现。
本文将介绍我司是如何通过实验的设计和优化来达到同一种膨胀剂，既能用于垂直除胶工艺，又能用于水平除胶工艺，从实验的过程中，也证实了浓度、时间、温度等相关因素对除胶效果的影响。
2 膨胀剂的作用
膨胀剂是由大量的有机溶剂组成的，其原理是通过相似相溶，把经过高温熔融后，粘结在孔壁的环氧树脂残胶进行溶胀，使得高锰酸盐的碱性水溶液更容易的渗入到残胶的缝隙中，有效的咬除残胶并形成良好的蜂窝状表面，增强孔铜与孔壁的结合力。
本次实验的设计和优化我们选取了一款比较难进行除胶的板材进行测试，该板材在文章中简称“Tg150”。 工艺路线：膨胀-->水洗-->除胶-->水洗-->中和-->水洗-->烘干
2.1 垂直实验的设计与结果
膨胀工序一般从温度、时间、浓度这三方面进行控制，下面我们将以一款膨胀剂2521W为测试对象，详述如何确定垂直工艺的最佳控制参数。
2.1.1 第一步DOE实验
我们先通过DOE试验设计来寻找温度、时间、浓度这三个因子的操作范围，并得到各因子对除胶影响的趋势。这次DOE试验我们采用的评判标准是除胶量和蜂窝状的形成情况，结合实际情况和经验值，各因子选取的水平如下：
注：浓度的单位为开缸时膨胀剂2521W的体积百分比。
去钻污工序的控制参数按照表2进行：
除胶量的测试结果表3：
图一
图二
图三
小结：从第一步DOE的实验结果来看，温度是影响除胶量的显著因子，而浓度与时间在一定范围内对除胶量的影响并不显著，但趋势均是浓度越高，时间越长，除胶量会有所增加。
2.1.2 第二步显著因子的单因素实验
考虑到温度是影响垂直除胶量的显著因素，我们将对温度进行单因子的测试；另外考虑到成本和实际连续生产的需要，浓度参数选定为35%；时间结合目前线上的实际情况，时间参数选定为6min，来进行温度的单因素实验。
不同温度下除胶量的趋势如下：
图四
不同温度Tg150板材的除胶效果图：表5
小结：从除胶量和除胶SEM效果图来看，当温度65℃时，树脂位的蜂窝状不明显，温度在70℃以上，才能形成较好的蜂窝状。
结合DOE实验与单因子实验，当初各因子设定的水平范围基本满足生产除胶量在0.1-0.5mg/cm2，形成蜂窝状的要求。
2.2 水平实验的设计与结果
从垂直实验的结果来看，我们可以得到的信息是：温度是影响除胶量的显著因子，在水平工艺给定了相关的时间范围条件下，我们只能尽量的改变温度与浓度量个因子的水平，测试能否达到除胶量在0.1-0.5mg/cm2，形成蜂窝状的要求。
2.2.1 第一步DOE实验
注：浓度的单位为开缸时膨胀剂2521W的体积百分比。
去钻污工序的控制参数按照表7进行：
注：水平除胶工艺所用到的除胶药剂和中和药剂与垂直除胶工艺不一样，水平除胶的药剂用到的是高锰酸钠，中和剂用到的是还原速率更快的中和剂HR。
DOE实验的结果如下：
图五
图六
图七
小结：从第一步DOE的实验结果来看，温度是影响除胶量的显著因子，但在时间这么短的范围内，对除胶量的影响也非常的重要；而浓度在一定范围内对除胶量的影响并不显著，但趋势是浓度越高，除胶量会有所增加，但增加的幅度并不大。
2.1.2 第二步显著因子的单因素实验
考虑到温度是影响垂直除胶量的显著因素，我们将对温度进行单因子的测试；另外考虑到时间也是重要影响因素之一，所以也对时间进行单因子实验；从成本和实际连续生产的需要，浓度参数选定为35%，来进行单因素实验。
不同温度下除胶量的趋势如下：（浓度35%，时间90s）
图八
不同时间下除胶量的趋势如下：（浓度35%，温度88℃）
图九
小结：从单因素的实验结果来看，当浓度和温度一定的情况下，水平工艺的膨胀时间有其下限，不能无限的缩短，膨胀的时间至少需要在70s以上，才能发挥其溶胀的功能；当浓度和时间定下来之后，通过调整温度能很好的控制除胶量。
3 膨胀剂的参数确定
同一个膨胀剂2521W，与垂直、水平的除胶、中和药水搭配使用，通过DOE与单因素的实验联合测试，分别找到了影响除胶量的关键因子，也能初步确定了垂直、水平工艺不同的操作参数范围。
以Tg150这款板料进行统一的测试，初定垂直与水平膨胀工艺的参数如下：
注：如果遇到不同的板材，参数范围可能会有所调整，需要以实验测试结果为准。
Tg150在不同工艺去钻污后的SEM效果图：
下面是该膨胀剂2521W在实际应用过程中的一些去钻污效果图片：
（1）Tg150
（2）Tg175
（3）Tg140
4 总结
通过以上的介绍，可以看到随着设备的发展，传统垂直的除胶、化学镀铜工艺由于工作环境的不友好，将逐步被水平的除胶、化学镀铜和SOC、黑孔等工艺所取代；如何快速的跟上设备的升级换代，是药水研究者们所面临的一个不可避免的挑战。
本文通过DOE和单因素实验的结合使用，能使一种膨胀剂在不同的参数范围内，即可用于垂直的工艺，又可以用于水平的工艺。因此，在药水的开发上，除了调整药水的配方，或许我们可以调整操作参数的范围来满足性能的要求，也不失为一个解决问题的方法。
参考文献
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