PECVD在挠性电路板防护中的应用研究

曹建诚 胡宗敏

（苏州维信电子有限公司，江苏 苏州 215000）

0 前言

挠性电路板（FPCB）具有轻、薄、可弯曲等众多优点，成为越来越多电子产品的首选。近年来随着智能电子终端的发展，FPCB行业的需求不断增加。

目前FPCB制程中裸露的铜焊盘和印制插头位置都必须经过表面处理来保护其不被氧化，其中化学镀镍金（ENIG）是最常用的工艺之一。ENIG是通过化学反应在铜的表面置换钯，再在钯核的基础上化学镀上一层镍合金层，然后再通过置换反应在镍的表面镀上一层金。化镀镍金层在焊接、散热、接触导通、平整性等方面具有优异的表现，但镀金层在长期吸水受潮后，尤其是盐雾测试环境下，会发生氧化变色等问题，使其防护性能严重降低，因此希望有一种防护涂层起到防护。

薄膜制备工艺在超大规模集成电路技术中有着非常广泛的应用，其成膜方法可分为两大类：物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。等离子增强型化学气相淀积（PECVD）作为化学气相淀积的一种，主要是利用微波或射频使得汽化的薄膜单体形成等离子体，经过一系列化学反应和等离子体反应，最终在样品表面形成一层纳米级聚合物保护膜，起到防护作用。

因此，将PECVD技术用于FPCB，能够成为一种金面防护的有效解决办法。本文验证这一方案的可行性。

1 测试样品制作及测试方法

1.1 测试样品制作

首先选用双面FCCL（挠性覆铜板）作为基材，铜箔为压延铜箔，在一面铜面上通过印刷油墨，再曝光显影后，得到铜连接盘，再通过ENIG得到待测样品。最后通过PECVD（化学镍与浸金工艺）方式在金面上沉积一层纳米聚合物薄膜，得到PECVD测试样品,测试样品结构示意图如图1所示。我们选用了A、B两种不同的PECVD方案进行测试评估,A方案是通过PECVD的方式沉积得到一层杂化疏水薄膜，B方案是一层更为致密的疏水薄膜。

图1 PECVD后测试样品结构示意图

1.2 金面PECVD镀膜测试

1.2.1 形貌测试

通过3D显微镜及扫描电子显微镜（SEM）对金面PECVD镀膜的形貌进行拍摄。

1.2.2 厚度及成分测试

通过扫描电子显微镜（SEM）及EDS（电子扩散X射线能谱仪）元素分析对金面PECVD镀膜的厚度及元素类别进行测试。由于聚合物薄膜本身厚度较薄，且在样品最外侧，因此测试样品厚度时需在样品PECVD镀膜上沉积一层铂金层，确保测试时不受干扰；再用离子抛光仪（IM）从样品横截面方向进行抛光打磨，得到平整的横截面，最后用SEM进行拍摄测试。

1.2.3 耐热性测试

通过热重分析仪（TGA）及再流焊对PECVD镀膜的耐热性进行测试。其中再流焊测试时长约360 s，其中高温段为235～240 ℃，持续时间15～25 s。通过SEM对再流焊前后PECVD镀膜形貌变化进行监测。

1.2.4 耐盐雾测试

将PECVD镀膜前后的测试样品置于盐雾试验箱中,监测不同时段样品的失效情况及金面的形貌变化，以此评估耐盐雾性能。选用中性盐雾进行测试，测试条件为：氯化钠溶液浓度（5±0.5）%，pH=6.5～7.2，温度（35±2）℃，湿度>95%，盐雾喷雾速度1～2 mL/80 cm2/h，测试结束后，去离子水洗，干燥条件55 ℃、1 h。

1.2.5 可焊性测试

将锡膏置于测试样品表面，加热到240 ℃，观察锡膏在PECVD镀膜前后金面上的形态，评估其可焊性。

2 测试结果

2.1 金面PECVD镀膜表面形貌

图2为3D显微镜照片所示，PECVD镀膜为透明薄膜，PECVD前后照片金面形貌基本无差异，B方案PECVD后金面相比于A方案偏黄一些。图3为SEM照片，可以看出A、B两种方案均在金面形成一层致密的聚合物薄膜，A方案薄膜相比于B方案薄膜的光学透过性要好一些。

图2 PECVD金面3D显微镜照片

图3 PECVD金面形貌SEM 5000倍照片

2.2 金面PECVD镀膜厚度及成分

图4为SEM照片，可以看到PECVD镀膜后在金层上方形成一层厚度较为均一的纳米聚合物薄膜。A、B方案镀膜厚度不同，A方案薄膜厚度约为107 nm，B方案薄膜厚度约为210 nm。

图4 PECVD后样品横截面SEM照片

从图5中可以看到，PECVD镀膜的主要成分是C、O、F三种元素，B方案镀膜中F元素在三种元素中的占比最多。

图5 PECVD镀膜元素及含量百分比

2.3 金面PECVD镀膜耐热性测试

从图6的PECVD镀膜TGA曲线可以看到，100 ℃时会发生失重，主要为聚合物薄膜表面吸附的水分子以及气化的小分子有机物；从300 ℃到377 ℃薄膜开始逐步少量分解；从377 ℃到490 ℃薄膜明显失重，共失重93.7%；说明PECVD聚合物薄膜在300 ℃以下具有良好的热稳定性，从377 ℃起才明显受温度的影响而分解。

图6 PECVD镀膜TGA曲线

从PECVD镀膜再流焊测试前后表面形貌SEM照片看出均没有发生任何变化，证明镀膜具有较好的耐热性，可以通过再流焊测试。

2.4 金面PECVD镀膜前后盐雾测试

从图7可知，未PECVD镀膜的样品，盐雾测试8 h后，有1/3测试样品金面出现失效情况，盐雾测试32 h后，测试样品全部出现失效情况。经过A、B方案PECVD镀膜后，金面的耐盐雾性能均有所提升，A方案PECVD镀膜后测试样品，盐雾测试24 h时出现失效样品；B方案PECVD镀膜后测试样品，盐雾测试32 h时出现失效样品。

图7 PECVD前后测试样品不同条件盐雾测试后金面失效比例F为失效样品数量，T为测试样品总数量

未PECVD处理的原始金面盐雾测试后金面失效模式如图8（b）所示，金层出现脱层掉落现象，镍层裸露，同时裸露的镍层被氧化形成氧化镍，且出现开裂现象。金面在盐雾环境中的腐蚀机理主要是存在一个电化学反应，由于金面直接覆盖在镍层上，金与镍间存在电位差，盐雾测试时有NaCl溶液作为电解质，金和镍之间会形成一个局部微电池。同时由于金层厚度较薄，表面有空隙和裂纹存在，为盐雾腐蚀提供微电池场所，透过空隙及裂纹，镍层发生较为强烈的电化学腐蚀，被严重氧化腐蚀，所以盐雾测试后会出现金层起泡、脱落等现象。

图8 金面盐雾测试前后SEM照片

随着盐雾测试时间增加，金面会出现大量氧化镍颗粒，且金面形貌会发生变化，出现网络状形貌；最后片状氧化镍层会逐渐翘起脱落。周而复始，最终金面下镍层被严重氧化腐蚀，从而导致金面出现起泡脱层现象。

A方案PECVD镀膜后，金面的耐盐雾性能有明显改善。盐雾测试8h后，金面上的薄膜开始慢慢脱落，脱落面积大约50%，但金面未出现失效情况；盐雾测试24 h后，薄膜几乎完全脱落。

B方案PECVD镀膜后，金面的耐盐雾性能进一步提升，可能是由于B方案PECVD薄膜相对较厚的原因。镀膜后金面在盐雾测试过程中的形貌变化如图9所示，盐雾测试8h后，金面上的薄膜开始慢慢脱落，但脱落面积只有10%，金面未出现失效情况；盐雾测试24 h后，薄膜上出现片状氧化镍，聚合物薄膜脱落面积达到80%，但金面仍未出现脱落失效情况。

图9 B方案PECVD后金面不同盐雾测试时间后SEM照片

经过PECVD镀膜后，金面的耐盐雾性能得到提升，证明PECVD镀膜能够对NaCl溶液起到一定的阻隔作用，延缓镍金层的电化学腐蚀，但由于聚合物薄膜厚度为纳米级别，随着盐雾测试时间增加聚合物薄膜会逐渐脱落，对电化学腐蚀的防护作用降低，最终导致金面脱落失效。

2.5 金面PECVD镀膜后可焊性测试

锡膏加热后在原始金面可以较好地润湿展开，但金面在PECVD镀膜后，金面出现不润湿问题，锡膏在金面上成球状，无法展开。证明PECVD镀膜后，由于聚合物薄膜的存在金面无法进行元器件焊接，所以此PECVD镀膜只能在元器件SMT（表面安装技术）装配之后进行，或者应用于无元器件装配需求的FPCB产品中。

3 结论

等离子增强型化学气相淀积（PECVD）作为一种成熟的薄膜制备工艺，为FPCB防护提供了一种新的思路，通过在FPCB表面沉积一层纳米防护薄膜，在不影响FPCB轻薄等特性的同时，能够有效地改善FPCB表面裸露金面的耐盐雾性，从而满足FPCB产品的耐腐蚀需求，但由于对金面焊接有一定影响，此方法具有一定的应用局限性。