作为一种性能优异的工程塑料,聚酰亚胺(Polyimide,PI)凭借其卓越的热稳定性、优异的力学性能及较低的介电常数,成为了柔性电子器件的核心材料,在柔性电路领域已实现规模化应用。凭借良好的结构稳定性,基于刚性PI的共形电路在航空航天领域高温高过载等特殊应用场景下展现出重要应用价值,由于刚性PI表面的光滑性和低活性特质导致其与表面Cu层的界面结合强度不足,制约了其在高可靠电子封装和微电子制造中的规模化应用。

传统的PI表面改性技术多致力于通过增加表面粗糙度来强化物理机械互锁效应,但各类单一方法仍存在显著局限。例如在机械粗化方面,打磨、喷砂等方法虽成本低廉且处理效率较高,但易对基材本体造成机械损伤。对比传统打磨、化学粗化工艺，等离子活化处理技术优势突出。属于干式工艺，无化学废液污染，环保安全；仅作用材料表层，不会损伤PI本体力学性能，基材完整性好。

等离子活化对刚性PI表面改性主要是利用强电场等外部激励源,使H2、O2、N2、Ar2等气体电离形成等离子体,通过高能等离子体轰击刚性PI材料表面,引发其表面发生复杂物理化学变化。物理上，高能等离子粒子轰击PI表面，产生微观刻蚀粗化效果，形成凹凸的微观形貌，增大接触面积，产生机械咬合效应；化学上，等离子体激发产生的活性粒子，在PI表面引入羟基、羧基等极性官能团，提升材料表面能与浸润性，可与铜原子形成化学键，强化界面结合力。

等离子活化前后PI表面亲水性变化

PI表面接触角的变化是表征其亲水性的直观指标,接触角越小,表明表面亲水性及浸润性越强。由图1可知,原始刚性PI表面具有较强的疏水性。对样件进行等离子活化处理后,接触角均值显著降低至8.02°,证实等离子活化能显著增强PI表面的亲水性能。

图1 PI等离子活化前后的表面接触角变化;

等离子活化处理对刚性PI/Cu界面结合强度增强机制

表面化学成分的改变是等离子活化提高PI/Cu界面结合强度的重要原因。为此,本文对等离子活化处理前后的PI表面进行了XPS分析,结果如图2所示，对比C1s高分辨谱可见,等离子活化后O—C=O组分占比明显增加,表明O2等离子体处理在PI表面引入了更多羧基等含氧极性基团。该变化显著提高了PI表面的极性、润湿性及表面化学活性,为后续活化与化学镀铜过程提供了更有利的界面化学条件,从而促进铜晶粒的初始形核与连续生长,最终增强PI/Cu界面结合强度。

图2 PI表面XPS C1s分析图。( a)等离子活化处理前; ( b)等离子活化处理后