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1、PCB用铜箔技术的未来发展中国电子材料行业协会经济技术管理部 祝大同1.未来电子安装、PCB、CCL的发展对铜箔技术进步的驱动电子铜箔的技术成果或新技术的进步总是受到来自电子安装技术、印制电路板、追求CCL高性价比的三方面驱动而获得的。并反过来，铜箔技术又要不断适应这三方面的发展需要。未来世界铜箔技术的发展，也是以这三方面的需求作为目标。11 电子安装技术的发展与驱动作用日本电子信息工业协会(JEITA)于2009年编制的电子安装技术路线图（简称路线图），将PCB技术的发展划分为七代，从中我们可了解到未来电子安装技术、PCB的发展（见图1、图2）。第一代：单面印制电路板；第二代：双面印制电路板
2、；第三代：多层印制电路板；第四代：以积层法多层板为代表的HDI板；第五代：元器件内埋式印制电路板；第六代：系统内埋式印制电路板；第七代：光-电线路板 图1 七代PCB技术的发展路线图图2 PCB技术未来发展的路线图可从图2看出：未来PCB将越来越向着高密度布线、多样化结构、高多层化发展。其中2010年-2015年，埋入式多层板制造技术将有较大的进步与应用市场有较大的扩大，它将经历两代（内埋元器件代、内埋系统代）的技术发展。到2020年左右，光-电复合多层板将会有一定规模比例的应用市场。上述的电子安装及其PCB的发展，总是离开不了新的PCB基板材料所支撑。可以预见，未来几十年PCB基板材料在结构
3、、性能、功能以及工艺制造技术会有更大的发展。1999年JPCA将沿用几十年的“印制电路板”改称为“电子电路基板”这一称谓的改变意味着，由有机封装基板问世，PCB产业已迈入了直接参与半导体制造的领域。2010年JPCA的电子电路产业结构改革委员会成立，他们力图将这个产业现称的“电子电路基板”，改为“电子电路”。这个产业将在“大电子”发展中更大地发挥其重要作用。日本PCB产业三次称谓演变的概念见图3所示。图3 日本PCB产业三次称谓演变的概念电子安装及其PCB的发展，总是离开不了新的PCB基板材料所支撑。可以预见，未来几十年PCB基板材料在结构、性能、功能以及工艺制造技术会有更大的发展。作为形成P
4、CB导电层的主要材料铜箔，由于PCB及其覆铜板未来发展必将对它提出更高更新的性能需求。12 HDI多层板技术的发展与驱动作用20世纪90年代中期兴起的高密度互连安装技术在不断快速发展中，推进了PCB生产技术全面地走向微细通孔、微细线路、绝缘基材薄型化的发展。并促进了在90年代初问世的高密度互连（HDI）多层板的发展。高密度互连安装技术要求PCB在信号高速传输，电磁兼容、安装可靠性等方面有新的变革；它推动了PCB的微细导通孔制造技术（如：激光钻孔、等离子蚀孔等）的进步。它带动了化学镀和脉冲镀技术和超薄抗蚀剂、平行光（或准平光）曝光、激光直接成像等工艺技术的发展，以达到微细线路的要求。20世纪90
5、年代初，世界PCB业出现了新一代的高密度互连印制电路板。HDI多层板的出现是对传统的PCB技术及其基板材料技术的一个严峻挑战，同时也改变着CCL产品结构、研发思路、发展方向。它作为当今CCL技术创新的主要“源动力”之一，引领当今CCL技术发展的主流方向。HDI多层板的发展始终有三大技术作为支撑和推动：“微孔、细线、薄层”。它的高密度互连的实现，主要就是通过从基板的面方向和厚度方向上缩小尺寸。基板面方向上外形尺寸的缩小，主要靠的是采用“微孔”、“细线”，而它的厚度方向上尺寸的减小（变薄），主要依赖于薄型基板材料（即“薄层”）来实现。HDI多层板“微孔、细线、薄层”实现都与新型铜箔作为支撑分不开。
6、因此，HDI多层板发展也是对铜箔制造技术进步的驱动。它主要表现在极薄铜箔和超低轮廓铜箔等技术发展方面。 HDI多层板（特别是封装基板）微细线路的形成更加需要铜箔厚度的极薄化和铜箔的表面低轮廓化；PCB高频信号传输的发展与广泛应用，需求铜箔表面更加平坦、光滑。同时，HDI多层板发展对铜箔的外观品质、耐化学药品性、表面耐高温性、与绝缘基材的接合性（剥离强度）等也提出更高更严厉的要求。在2010年发表的有关预测未来PCB发展趋势的文献中提出：在未来5-10年内，PCB在技术的开发重点上，主要集中在两类“下一代”基板上。一类是“散热基板”， “今后汽车的电动化和各种新能源的普及所需求的与大电流对应或具
7、有热管理功能的基板（统称为“散热基板” ）。”。另一类是“高速对应基板”。大容量的数字高速通信、高智能高功能电脑等网络构筑发展所需要的信号传输所适应的基板（简称“高速对应基板” ）（以上引自近野泰报告语）。这样两类基板未来的技术进步及其新型原材料的支撑，都离不开铜箔。13 追求CCL高性价比与其驱动作用JEITA在电子安装技术路线图（2009年版）（以下简称为路线图）中提出：印制电路板在今后由于对应的应用领域不同，在技术进步上将划分成为两大发展方向：一个方向是对应于SiP等封装基板和埋入元器件基板。这一类的PCB必须要满足SiP、埋入元器件的各种复杂而严格的性能要求。PCB技术与产品发展的另一
8、个方向，则是对应于低成本性的应用领域。这一PCB技术发展方向的预示，更加指明了未来CCL技术发展中，追求高性价比的品种和追求特色化的品种 “两条腿走路”意义的重要内涵。真正有发展潜力、有较高价值的CCL技术成果，其产生或新技术的进步是受到来自电子安装技术、印制电路板、追求CCL高性价比三方面驱动而获得的。并反过来，覆铜板技术又要不断适应这三方面的发展需要。要达到安装技术和PCB的发展所需求的高性能，又要具有市场竞争能力的优异成本性。为了达到这两个目标，覆铜板的技术发展往往是从材料（树脂、增强材料、铜箔、助剂等）、工艺两条战线上去开发、去创新。覆铜板多样化是实现高性价比的有效途径。它也是当前CC
9、L技术进步的新特点。CCL多样化的精髓，是不断追求更准确对应的电子产品在功能和用途上的需求，据此越来越细地派生出各个CCL品种。这些品种在品质上、在特性水平上表现出一定的差别。为了适应多样化的发展，电子铜箔业需要一一对应各个CCL不同性能、不同档次的CCL，开发出性能重点更有针对性地的铜箔产品，配合CCL提高性价比。2.极薄铜箔现状与未来发展21极薄铜箔的发展背景20世纪90年代起整机电子产品更加朝着轻、薄、小型化方向发展，产品的形式更多的采用了可携带型、高功能型。这些电子产品的电子安装也更加高密度化。这就需要IC封装及PCB产业的产品及制作工艺上，也都向着轻薄短小的目标看齐，其必备的要素即为
10、细线化、高密度化、薄化及高可靠化，而要达到此要件的首要目标之一是作为PCB导电层的铜箔去实现超薄化。铜箔的薄型化，不仅是为了满足PCB的细线化、高密度化、薄层化的要求，还是为了适应PCB的高可靠性的要求。在采用半加成法生产PCB工艺中，随着线路的间距、线宽做得更细就需求它的铜层要更薄。图4所示了高密度布线PCB的导线宽度与铜层厚度之间的关系。从下图中可以看出，如果形成的导线宽度/导线间距（L/S）为75m/75m的话，那么所允许的全铜层（包括铜箔和电镀铜）的厚度为27m.采用加成法制作图形工艺在导通孔形成后，在存留铜箔（导电图形）上及导通孔孔壁上，同时电镀一层铜层（以达到与导通孔的可靠性连接）
11、。若镀铜层为15m厚，那么所要求使用的铜箔的最大厚度为12m左右。也由此看出，实现L/S为50m/50m以下的高密度PCB的情况，就需采用5m以下的极薄铜箔。图4 导线间距与允许全铜层厚度的关系 制作PCB的微细线路方面，保证其高可靠性的一个重要方面是，避免微细线路之间发生连接，这样就造成短路问题。因此微细线路的制作更追求它的“形方线直”。“形方”是指线路的横剖面要呈现接近方形。评价这一工艺性能的项目，主要是“蚀刻因子”(etching factor)。蚀刻因素与铜箔厚度、导线图形底部宽度及导线图形顶部宽度有关，其关系公式为：Ef=2H/(B-T) (式中，H表示铜箔厚度，B表示导线图形底部宽
12、，T表示导线图形顶部宽)，当蚀刻因子值低，就表明线路横剖面呈现的形状更向于“梯形”（导线图形上窄底宽），出现侧蚀现象，这样就更容易产生线路间的搭接，这也给制造微细线路造成了困难。因此需要“蚀刻因子”越高越好，线路横剖面的形状更接近方形。采用极薄铜箔的PCB，因铜箔厚度的减小，蚀刻工艺时间缩短，十分有利于克服在蚀刻微细电路加工的侧蚀问题（见图5的两种不同厚度铜箔的PCB，在蚀刻加工质量上的对比）。 图5 导线间距与允许全铜层厚度的关系在形成高密度PCB的发展中，其中一项关键的新技术，就是采用可实现微小孔径加工的CO2激光钻孔加工技术。而发展极薄铜箔是实现CO2激光直接对铜箔基板的钻孔加工的重要途
13、径之一。22 世界极薄铜箔的生产发展2009年全世界的极薄铜箔（9m以下的电解铜箔和压延铜箔合计）产销量为10480吨（其中1.5%为压延铜箔，其余都为电解铜箔），为整个电子铜箔产销量的3.2 %。销售额约为1.1亿美元。其中有97%的来自日本生产企业，有3% 来自日本以外的企业。过去极薄铜箔只在日本国内的工厂生产，自2009年起极薄铜也开始在日资在海外铜箔企业生产，使得极薄铜箔市场供应紧张的局面得到缓解。图6 世界极薄铜箔生产量的统计在2009年整个极薄铜箔产销量中，有1.5%为压延铜箔(约155吨),其余为电解铜箔。目前世界上极薄铜箔生产企业主要有：三井金属矿业株式会社、日矿集团日矿金属株
14、式会社、古河电气工业株式会社、福田金属箔粉工业株式会社。它们的市场比例，推估如下图7（以2009年计）。图7 世界极薄铜箔主要生产厂家产品的市场份额统计从世界极薄铜箔的应用领域统计划分，主要有四大部分市场。其中IC封装基板市场（其中含IC封装基板用覆铜板的市场）所占份额最大，约占总的应用市场规模的55%，其次是高密度互连型多层板（其中含多层板用覆铜板的市场），它的市场份额约为35%。这两个领域的市场，日本三井金属公司占居很大的比例，估计在85%左右。它的极薄铜箔其它市场中，主要是指一些特殊要求的挠性印制电路板等。用于锂电池、PDP屏蔽材料的极薄铜箔市场比例约占8%，它们的主要生产供应厂家主要是
15、日矿金属、古河电气、福田金属等。世界极薄铜箔的市场格局见下图8。 图8 极薄铜箔产品的市场分布当铜箔厚度降到9µm以下，由于所能承受的负荷下降，容易产生皱折、弯曲甚至断裂。因此，需要较厚的金属箔，如铝箔、铜箔、有机薄膜等做为载体（承载）箔以支撑极薄的铜箔。因此，自极薄铜箔问世以来它的主要核心技术主要围绕着三个方面性能开展的： 极薄铜箔的性能（特别是剥离强度、抗热及抗氧化性、厚度均匀性、无针孔等外观特性）。 剥离层的构成，与载体（或者与制电路用铜箔）的复合（或涂布）技术；载体与制电路用铜箔之间剥离层的特性（即在高温压制完成前的粘接性和在完成压制后的易剥离性）。载体构成及与制电路用极薄铜
16、箔复合技术。这三个方面也是未来极薄铜箔技术发展中继续要很好解决的三大课题。23 极薄铜箔的主要生产厂家及产品三井金属在MT铜箔的制电路用铜箔厚度可制成15m，所用载体是通过电解法制成18m厚的载体箔。在附载体箔的加工工艺方面，有该企业独有的技术特点。这个加工是与生箔表面处理加工（瘤化处理等）在同一设备上共同完成的。即载体箔是与铜箔形成一体的加工，在表面处理机上同时完成。三井金属附载体极薄铜箔MT铜箔有两个主要品种，一种是MT 18SD-H型（常规粗糙度型）、MT1Ex型（低轮廓型）。图10 两种MT极薄铜箔的构造、表面粗糙度情况（照片）表1 两种MT极薄铜箔主要性能情况古河电气近年开发了附铜箔
17、载体的极薄铜箔，并已经应用在手机用PCB中。这种极薄铜箔的牌号为“F-DP”箔（5-9m）、“F-HP”箔（2-5m）。形成线路的铜箔/载体铜箔的厚度规格有：3/35m、5/35m、9/70m 。福田金属“LBX”型极薄电解铜箔有六个品种，另外它所生产的压延铜箔厚度也可以达到最薄为10m。2009年10月起，日矿金属公司开始正式生产、销售附铝箔极薄铜箔。它的产品牌号为“ C&C”（Duo- C&C）。这种新问世的附载体极薄铜箔产品，铝箔的厚度实现薄型化（12m），最突出的特点是实现了低成本化。3. 平滑表面处理铜箔的需求与技术发展31实现PCB高频、高速化对铜箔性能的需求PCB
18、对应大电流、高散热、高速通信等要求，实现高功能基板的普及，是未来一、二十年PCB技术发展的主要方面。信息网络技术正在日新月异的进步，通过计算机网络所获取信息量正在向着大容量化、高频化方向发展。这就需要所用的电子产品在处理信息的速度实现更加的高速化。在这类产品领域，对应于CPU的高性能化，必须实现在PCB内的信号传送的高速度。另外，以移动电话等为代表小型信息处理终端产品，也更加要求PCB的信号传送高速化。今后在PCB内的信号传送不但要求高速度，而且需要更加减少其高速信号传输的损失、衰减。基板材料担负着PCB实现高频化、信号传送高速化、信号传送低损失的重任。基板材料在实现、提高这三大特性（即实现高
19、频率下的优异介电特性）上，不仅依靠树脂性能的改进、提高，还需要玻纤布、铜箔、填料等构成材料的配合。在此方面，对铜箔性能的改进、提高的需求，主要是表现在：铜箔表面实现超低轮廓，甚至实现表面平滑。它成为现今以至未来多年铜箔技术发展中的一大重要课题。为实现PCB导电层的信号高速传送，PCB的导电线路需具备导电层的低电阻的条件。它目前已成为对基板导电层的一项十分重要的性能要求。而PCB实现配线的微细化，往往会使得导线的电阻上升。电阻升高，使得导电损失增大。这样，在高频电路下，对信号传输有着较大的影响。32高频下铜箔应用的集肤效应在高频下，基板上的信号传送存在着是在导电体的表面传送的现象。这现象的原理，
20、可用集肤效应来解释。集肤效应又叫趋肤效应,表皮效应，当交变电流通过导体时，根据楞次定律所揭示变化规律，电流将趋于导体表面流过，这种现象叫集肤效应(skin effect，又称趋肤效应,表皮效应)。电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。频率越高，集肤效应越显著。高频率下在PCB的导线上出现的集肤效应现象见图11所示。图11 高频率下在PCB的导线上出现的集肤效应现象日本的PCB专家, 通过一些研究,得到频率与集肤效应形成的在导体中的信号传送厚度的关系公式，并且通过这公式计算出不同频率下的集肤效应的厚度（见表2）。 表2不同频率下的集肤效应的
21、厚度频率集肤效应的厚度 （m）1 KHz2140.010 KHz680.0100 KHz210.01 MHz60.010 MHz20.0100 MHz6.6500 MHz3.01 GHz2.15 GHz0.910 GHz0.733 超低轮廓、表面平滑铜箔及其它对减少信号传送损失的贡献 由于在高频下基板上的信号传送聚集于导体表层进行，因此铜箔作为基板的导电层重要部分，它的表面轮廓度大小对信号传送损失的影响十分重要。为了减少高频电路的信号传送损失，需要采用低轮廓度铜箔（Rz：2.73.3）或平滑面铜箔（见图12），不同表面粗糙度的铜箔制出的PCB，它在高频率下的信号传送损失是有很大的差异。表面粗糙
22、度越来越大的铜箔制出的PCB，在高频率下的信号传送损失就越大。这种差异，随着频率的提高就表现出更明显（见图13）。图12 低轮廓铜箔和平滑面铜箔的断面结构图13 不同表面粗糙的铜箔制出的PCB，在高频率下的信号传送损失大小的比较从图12可看出：平滑面铜箔（又称为“无粗化铜箔”）不仅是表面粗糙度很小，呈现平滑，而且在它的层间结构上也呈片状的层状。日本福田金属箔粉工业株式会社是开发出并大量生产供应平滑面铜箔的厂家之一。他们提出了（见在2010年铜箔协会年会上苏州福田铜箔有限公司田园修三的报告）这种特殊铜箔（含平滑面铜箔）和常规铜箔在结晶粒子形状上差别（见图14）：特殊铜箔其中有的是石垣状结晶构造；
23、而原来的常规铜箔是树枝状结晶构造。图14 特殊铜箔（含平滑面铜箔）和常规铜箔在结晶粒子形状上差别 往往目前世界上新开发的极薄铜箔，同时也具有铜箔表面的平滑化的特点。这类成为了当前铜箔技术的顶尖技术的代表。例如古河电气在2009年推出的一种极薄铜箔（F-HP）的与树脂粘接一侧的铜箔表面，比它的原有极薄铜箔品种（F-DP）具有为无粗化的平滑面的特点。这样更适宜微细线路制作。古河电气极薄铜箔的表面平滑化特点见图14、15、16。图14图15图163.4 超低轮廓、表面平滑铜箔应用与铜箔剥离强度的提高 铜箔的表面粗化处理其主要功效是通过处理的表面,与绝缘基材经高温高压成形加工,之间界面产生“钩锚效果”，实现它们的接合。表征这一接合效果的性能项目主要是铜箔剥离强度。超低轮廓、表面平滑铜箔在PCB及其基板材料上应用，打破了几十年传统的提高铜箔剥离强度工艺手段及观念。并要开辟新的解决手段及建立新技术观念。在解决此问题上，在日本主要是从PCB业、CCL业以及铜箔业多方面进行研发，创立新的工艺手段。目前，主要初步的研究成果，主要有如下手段：对铜箔接合面进行更有效的偶联剂处理；通过对铜箔表面进行微蚀刻（蚀刻深度为0.5m、1.0m）加工，形成表面的粗化； 通过UV照射使基材树脂表面形成改质层（如纳米Pd的吸附层）等。16 / 16文档可自由编辑打印