等離子體轟擊致聚酰亞胺表面親水性研究

2010-01-17 馬進 復旦大學材料科學系

　　等離子體轟擊聚酰亞胺表面會提高撓性印制電路板中濺射銅膜與聚酰亞胺基板的附著力,同時聚酰亞胺表面親水性隨之改變。本文通過改變轟擊等離子體種類、轟擊電流、轟擊時間和轟擊氣壓等條件,研究這些工藝參數與聚酰亞胺表面親水性的相互關系。在等離子體轟擊處理后的聚酰亞胺上磁控濺射鍍銅并電鍍加厚,利用剝離強度測試儀測量銅膜與聚酰亞胺基板的附著力,并分析親水性與附著力之間的關系。研究發現,等離子體轟擊可以增強聚酰亞胺的親水性及聚酰亞胺基板與銅膜的附著力,且親水性越好的樣品,濺射鍍銅后銅膜與基板的附著力也越好,并得到了等離子體轟擊參數與親水性的關系;研究表明可以把測量親水性作為聚酰亞胺表面等離子體轟擊效果的一種評價方法。

　　撓性覆銅板是制造撓性印制電路板的重要基材,具有薄、輕、可彎曲折疊、結構靈活的特點。在很多高科技電子產品如手機、數碼相機、數碼攝像機、液晶電視、筆記本電腦、帶載IC 基板等方面都得到大量應用,目前撓性覆銅板已從有膠粘劑的三層型撓性覆銅板發展到無膠粘劑的二層型撓性覆銅板。其制造方式除涂布法和熱壓法外,還有濺射2電鍍法。濺射-電鍍法是在聚酰亞胺膜基材上濺射鍍銅后,再電鍍使銅膜厚度增加。此法優勢是能生產超薄的二層型撓性覆銅板,銅膜厚度可薄到3μm～12μm ,特別適合于芯片搭載用撓性板(Chip on Flex ,COF) 和半加成法工藝應用。另外還可生產雙面不同厚度的撓性覆銅板,因此濺射2電鍍法將是未來超薄二層撓性覆銅板的首選制備工藝。

　　聚酰亞胺(Polyimide ,PI) 和銅膜之間的附著力小是濺射-電鍍法制備工藝中的關鍵問題。研究表明,通過等離子體轟擊聚酰亞胺表面對提高其與銅膜間的附著力有很大作用,此外等離子體轟擊也改變了聚酰亞胺表面的親水性(還包括聚丙烯等其他材料) ,而銅膜與聚酰亞胺的附著力與聚酰亞胺表面親水性的關系卻少有研究。因此本文通過改變轟擊等離子體種類、轟擊電流和轟擊時間等條件,研究這些工藝參數與聚酰亞胺表面親水性的相互關系。同時結合剝離強度的測量,研究親水性與附著力之間的相關性,探索一種簡便易行的等離子體轟擊效果的評價方法。

1、實驗

1.1、等離子體處理與親水性測試

　　在等離子體處理之前,先對聚酰亞胺膜進行清潔預處理。聚酰亞胺保存于0 ℃以下的低溫環境中,在使用時剪成12.5cm ×12.5cm 的方形。聚酰亞胺的清洗過程中依次用洗滌劑、清水、去離子水清洗,然后吹干放入真空室中進行等離子體轟擊實驗。為了模擬實際的真空鍍膜環境,等離子體處理的過程是在真空蒸鍍機(北京儀器廠DM450 型) 中進行的,將真空室抽到一定的真空度3.0 ×10- 3 Pa后,充入氣體(氧氣或氬氣) 到6.0 ×10 - 2 Pa ,調節主閥,使真空室氣壓維持在2Pa～5Pa 之間,在放電電極加電壓進行等離子體放電,轟擊基板架上的聚酰亞胺膜。每次轟擊過程都控制本底壓強和工作壓強不變,改變放電氣體種類、轟擊電流和轟擊時間等工藝參數進行比較。

　　轟擊結束后,將聚酰亞胺膜取出,立即用微量進樣器取去離子水滴于其表面,分別在不同位置上點五滴,測量水滴的接觸角,取其平均值。

1.2、真空濺射鍍膜、電鍍及測試

　　真空濺射鍍銅所使用的鍍膜設備是北京儀器廠的DM4502A 型鍍膜機,自制的磁控濺射器,采用直流磁控濺射技術在聚酰亞胺基片上依次制備鎳和銅雙層膜。靶是高純電解銅和高純鎳,直徑為60mm ,厚度為3mm ,與基板距離65mm。

　　沉積薄膜前,先將聚酰亞胺膜進行等離子體轟擊處理,轟擊過程同上。在等離子體處理結束后,開始在氬氣(1Pa～2Pa) 中依次濺射鍍鎳和鍍銅雙層膜。由于在聚酰亞胺直接鍍銅的附著力很差,因此在二者間加了一層鎳作為過渡層。

　　濺射結束后,將樣品取出立即進行電鍍銅加厚。電鍍膜的厚度大約為20μm。

　　將電鍍完成后的樣品裁剪成寬3.20mm 的細長帶,利用東莞正業電子有限公司的ASIDA2BL12B 撓性板剝離強度測試儀測試銅膜與聚酰亞胺膜之間的剝離強度。

2、結果和討論

2.1、親水性測試

　　圖1 為分別在(a) 氬等離子體和(b) 氧等離子體中轟擊情況下測得的去離子水在聚酰亞胺膜上的接觸角與轟擊時間的關系曲線。等離子體轟擊時間對聚酰亞胺親水性的影響是十分顯著的。未經過等離子體處理的聚酰亞胺親水性比較差,水滴在表面的接觸角可達47°。而經過等離子體處理后,即使處理的時間很短,聚酰亞胺的親水性也有顯著提高。

聚酰亞胺表面水滴接觸角與等離子體轟擊時間關系聚酰亞胺表面水滴接觸角與等離子體轟擊時間關系

圖1 　聚酰亞胺表面水滴接觸角與等離子體轟擊時間關系(a) 氬等離子體; (b) 氧等離子體

　　隨著等離子體處理時間的增加,水滴接觸角迅速減小, 約10min 就可降低到5°～6°。時間小于5min 時,親水性改變幅度較小。圖1 (a) 中當轟擊電流為40mA 時,轟擊時間為20min 時,最小水滴接觸角為4.5°;轟擊電流為80mA 時,轟擊時間為20min時,最小水滴接觸角為2.7°。從圖1 (b) 中還可以看到,當用氧等離子體取代氬等離子體后,轟擊20min后,水滴接觸角可小至2°左右,說明無論是氬離子轟擊還是氧離子轟擊,聚酰亞胺表面均呈現出很好的親水性。

　　圖2 是在(a) 氬等離子體和(b) 氧等離子體下水滴接觸角與轟擊電流的關系曲線。從圖2 (a) 中可以看出, 對于氬等離子體, 轟擊電流在30mA ～100mA 范圍內,均可得到較好的親水性,當電流小于30mA 時,等離子體轟擊很弱,對親水性的影響不是很明顯。對于氧等離子體,圖2 (b) 可以看出,轟擊電流在40mA～100mA 范圍,有較好親水性,并且隨著轟擊時間的增加,減小轟擊電流可以達到同樣的親水性,當電流小于40mA 時親水性的改變不大。

聚酰亞胺表面水滴接觸角與等離子體轟擊電流關系聚酰亞胺表面水滴接觸角與等離子體轟擊電流關系

圖2 　聚酰亞胺表面水滴接觸角與等離子體轟擊電流關系(a) 氬等離子體; (b) 氧等離子體