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高性能电解铜箔的发展趋势(下)

[所属分类:专家讲座] [发布时间:2019-4-29] [发布人:管理员] [阅读次数:] [返回]

高性能电解铜箔的发展趋势(下)


原  文:林士晴

编辑整理:童 枫


【编者按】本文原是台湾南亚塑胶公司电子材料事业部铜箔技术处处长林士晴博士在2018年5月在中国苏州召开的“2018大陆电子电路研讨会(CTEX2018)”上的演讲报告。原报告是幻灯稿,并有许多内容是用英文所写的。本文编译者对此文作了全面细致的编译整理,并将原文的台湾文字表达方式梳理成中国大陆的铜箔行业习惯表达方式;在尊重原著的基础上对部分图表的作了重新的整理;对全篇的部分章节重新起了标题及小标题。

本期编译了此报告的后半部分的内容。包括了对高频高速用铜箔、厚铜箔、封装载板用或微细线路用铜箔、特殊其他用途铜箔等品种、性能特点、应用领域、技术课题、未来发展方面的阐述。

该报告是一篇具有很高水平的、较为接近铜箔行业基层发展的研究文献。它具有很高的发展技术、市场的参考价值。


三、高性能电解铜箔之现状与未来发展趋势

(接上期)

3.3高频高速用铜箔

3.3.1定义与品种

一般高频高速用铜箔的定义是:(1)用于高频、高速电路板,常见厚度:12μm~70μm;(2)铜箔具有极低的粗度,以符合电性能的要求。

常见的三大类高频高速用铜箔是:用于硬板的反转铜箔;HVLP铜箔;用于软板的高频高速用铜箔为压延铜箔(如JX金属型GHY5铜箔)和特殊电解铜箔。

众所皆知,基于趋肤效应(skin effect),此软板领域的铜箔首重低表面粗度。图16所示的JX日矿金属铜箔公司四种用于FPC的铜箔例,可以看出与铜箔粗度的关系。

图16 JX日矿金属四种用于FPC的铜箔在不同频率下传输速度比较


在电解铜箔方面,则有反转铜箔与HVLP铜箔两大主流。改变铜瘤的粗径与形状是常见的开发高频高速用铜箔的主要对策。表7所示了各铜箔厂家高频基板用电解铜箔的性能比较。

表7三家铜箔厂家高频基板用电解铜箔的牌号及关键性能指标

系列

三井金属

JX日矿金属

南亚塑胶

反转铜箔HTE系列

MLS-G(反转HTE型)

Rz=2.5~3.5μm

PS:1.0Kgf/cm(FR-4)

RTCS(反转HTE型)

Rz=2.2μm

PS:1.2Kgf/cm(FR-4)

TLC-H(反转HTE型)

Rz=2.0~3.0μm

PS:1.0Kgf/cm(FR-4)

 

 

 

 

VLP

系列

 

MW-G-VSP(正转VLP型)

Rz=2.0~2.5μm

PS:1.0Kgf/cm(FR-4)

 

TLC-V3(正转VLP型)

Rz=2.5~3.5μm

PS:1.0Kgf/cm(FR-4)

HS-VSP(正转VLP型)

Rz=1.5~2.0μm

PS:0.9Kgf/cm

(FR-4)

JXHLP-Ⅰ(正转VLP型)

Rz=1.2μm

PS:1.0Kgf/cm

(FR-4)

TLC-V2(正转VLP型)

Rz=1.5~2.5μm

PS:0.9Kgf/cm

(FR-4)

HS1-VSP(正转VLP型)

Rz=1.3~1.5μm

PS:0.8Kgf/cm(FR-4)

JXHLP-Ⅱ(正转VLP型)

Rz=0.9μm

TLC-V1(反转VLP型)

Rz=1.5μm

PS:0.8Kgf/cm(FR-4)


对比三井、日矿公司的高频基板用铜箔型录,以及南亚高频基板用铜箔,可以确认以下结论:

(1)各厂皆有反转HTE与VLP两种系列;

(2)各厂皆以粗度Rz来区分等级(命名有些跳脱了以往原则)。


3.3.2实现低粗糙度和高剥离强度工艺途径的研究

追求最低的粗度与最高的剥离强度,这是各铜箔厂家开发高频基板用电解铜箔的重要课题。

(1)弹性定理表达的影响剥离强度的主要因素

从图17中的弹性定理(Elastic theory )可知,影响剥离强度的主要因素。

图17表达影响剥离强度的主要因素关系的弹性定理


从图17中的弹性定理(Elastic theory )可知,影响剥离强度的主要因素。它们主要是变形树脂的厚度(Yo,Thickness of the deformed resin)、树脂的抗拉强度(σN,Tensile strength of the resin)、铜箔总厚度(δ,Foil thickness)、铜的杨氏模量(E,The ratio of the copper modulus)、树脂的杨氏模量(Y,The ratio of the resin modulus)等。

由上述公式可知,提高杨氏模量(E)、铜箔厚度(δ)、变形树脂厚度(y),剥离强度就会得到提高。铜的杨氏模量(E)是由原箔微结构所控制的。假设铜箔总厚度(δ)是固定的,那么调整生箔(原箔)厚度和小瘤尺寸。生箔厚度占总的铜箔厚度之比的改变,会使有效厚度(原箔厚度)得以改变。改动小瘤的大小、改动阻隔层和硅烷抗氧化层,就可以起到增加变形树脂厚度的效果(达到提高剥离强度的目的)。并且并没有增加铜箔表面粗糙度。


(2)生箔轮廓的修正——实现低粗糙度和高剥离方法

(A)三种生箔原始铜箔粒子(Raw Copper Foil Grain)形成的典型轮廓图(见图18)。

图18三种生箔原始铜箔晶粒形成的典型轮廓图


(B)经处理过的铜箔晶粒(Treated Copper Foil Nodule)尺寸

图19经表面处理过的铜箔晶粒尺寸


为了尽可能减少铜箔表面粗度,需要在粗糙度大的一侧面(MS面)粗度,主要是控制电解质溶液;在光面(SS面)的粗度,主要是通过阴极抛磨程度,来控制光面粗度。通过从改变小瘤入手,即成核密度、根瘤大小和形状,从而可提高表面粗糙度低的处理铜箔的剥离强度。

(3)减少原箔轮廓度的途径

高频印刷电路板应用的铜箔所需的低表面粗糙度,在设计和制造中一般有两种方法:一种是反转铜箔处理方法,另一种是VLP方法,这取决于原始铜箔的种类,取决于确定在生箔的哪一侧面,要进行瘤化处理。 

(4)改变小瘤(Nodule)的形状、大小和数量

(5)铜表面织构的影响模型的建立

由粗糙度与铜瘤堆叠来推算电性能的特性。

图20铜箔横剖面的铜瘤堆叠构型特点


由图20铜箔的横剖面得到,似多个非均匀的大小“铜球”的铜瘤堆叠,而在距离Xi的平面以下,是倒“金字塔”的构型。

图21 高轮廓型铜箔表面轮廓度的参数


利用插入损耗测量的高轮廓铜箔表面激光轮廓仪测量,许多类似的扫描到一个RMS轮廓的堆栈,牙齿最高为9.4μm和底部宽度5.8μm。

与铜箔表面有关的另一高轮廓表面扫描电子显微照片(见图22),可以得到铜瘤深度(Depthδ)与1GHz、10GHz, and l00 GHz所要求的范围内。

图22 铜箔铜瘤深度与高频电路低损失的需求的关系


(6)底胶与纳米锚手段的导入与其效果

在解决同时实现低粗糙度和高剥离强度中,采用铜箔层压面敷底胶(Primer),以及纳米锚(nano anchor)手段,其成果也起到好的效果。

以下表与图(见表8及图23),举例了三井金属铜箔公司在运用底胶(Primer)与纳米锚(nano anchor)工艺手段,来实现即减小铜箔轮廓度,又达到保持高剥离强度的目的。


表8三井金属铜箔公司开发的底胶与纳米锚新工艺的铜箔产品性能


在问世的减小铜箔轮廓度、引入纳米锚的品种方面。如三井金属的WA-VSP产品。而引入底胶技术的品种,如NP-VSP产品。 


图23三井金属铜箔公司开发的底胶与纳米锚新工艺的铜箔产品的FIB照片及M面扫描电镜照片


[编译者注:FIB(聚焦离子束,Focused Ion beam)是将液态金属(大多数FIB都用Ga)离子源产生的离子束经过离子枪加速,聚焦后照射于样品表面产生二次电子信号取得电子像。此功能与SEM(扫描电子显微镜)相似,或用强电流离子束对表面原子进行剥离,以完成微、纳米级表面形貌加工.通常是以物理溅射的方式搭配化学气体反应,有选择性的剥除金属,氧化硅层或沉积金属层。FIB可应用于材料的鉴定中,材料中每一个晶向的排列方向不同,可以利用遂穿对比图像进行晶界或晶粒大小分布的分析。另外,也可加装EDS或SIMS进行元素组成分析。] 


3.4厚铜箔

3.4.1南亚厚铜箔概述

南亚塑胶公司(Nan Ya)将105μm及其以上厚度的铜箔,称为厚铜箔品种。为了满足顾客对厚铜箔的需求,南亚塑胶公司提供了有多种选择的性能不同的厚铜箔品种。Nan Ya是全球主要提供厚铜箔的供应厂商,可向市场提供了各种各样的105~210um范围的高可靠和厚规格的铜箔。

Nan Ya厚铜箔品种主要有:低轮廓度厚铜箔(HVLP厚铜箔)和中等低轮廓度铜箔(MP厚铜箔)。其中HVLP厚铜箔有:NPVP牌号,MP系列厚铜箔有NPME、NPM牌号(见图24、图25)。



      图24 南亚塑胶公司厚铜箔的品种牌号及铜箔M面扫描电镜照片

图25 南亚塑胶三种厚铜箔品种的粗糙度、剥离强度的特性对比


3.4.2南亚厚铜箔NPM系列的性能介绍

南亚的MP粗糙度型的NPM厚铜箔,主要用于有大电流、高导热性要求的电路板制造方面。它具有超高剥离强度、高可靠性的特性。并具有高延展性和稳定的力学性能。

NPM具有的均匀表面形貌与低的表面粗糙度特性(见图26)。NPM具有稳定的力学性能,在高温处理1小时后仍保持稳定的抗拉强度(tensile strength)的特性(见图27)。并在电路蚀刻后无残余铜出现(见图28)。


图26 NPM铜箔具有的均匀表面形貌(SEM)与低表面粗糙度


图27 NPM铜箔高温处理后的抗拉强度


图28 NPM铜箔电路蚀刻后没有残余铜出现


3.4.3南亚厚铜箔NPME系列的性能介绍

南亚厚铜箔NPME系列用于大电流、高散热电路板的制造。它具有两方面的特性:(1)提供了环保型的铜箔,具有超高剥离强度和优异的耐化学性。(2)与NPM系列相比,NPME系列显示出较低的表面粗糙度和更好的蚀刻性能。

NPME系列厚铜箔是由微小铜瘤(Fine Nodule)所构成(见图29的左图),以及具有低的表面粗糙度(见图29的右图)。图30表明了NPME系列铜箔具有微细的晶粒尺寸(Grain size),无特异的结晶颗粒取向的特性。从图31中,可得知:即使铜箔的厚度达到175m,但它的晶粒尺寸仍然很小,平均晶粒尺寸只有2.23μm。

图29 南亚厚铜箔NPME系列铜箔的表面形貌(SEM)与表面粗糙度特点

图30晶粒尺寸与结晶颗粒取向的特点

图31 NPME铜箔的平均晶粒尺寸


由表9看出,Nan Ya的NPME铜箔性质与其他商品广告宣传的厚铜箔,在性能上相似的。

表9 Nan Ya的NPME铜箔性质与其他商品宣传的厚铜箔在性能对比

 

其他商品广告宣传的厚铜箔

Nan Ya的NPME铜箔

热膨胀系数

( μm/m℃)

21.89

21.79


3.4.4南亚厚铜箔NPVP的性能介绍

南亚低粗糙度型的厚铜箔NPMP品种,主要用于大电流、高散热电路。它具有两方面的特性:(1)超低表面粗糙度和优良的蚀刻性能;(2)具有高的高温高延展性和优异的力学性能。

NPVP厚铜箔与HTE厚铜箔在表面抗蚀剂一侧形态及表面层压面一侧的粗糙度方面有着明显的差异,其两类铜箔的对比见图32。

图32 NPVP厚铜箔与传统HTE厚铜箔在抗蚀剂侧形态及层压面的粗糙度

由于传统HTE厚铜箔由于它的粗糙度过大,对基材的可靠性是个威胁,因此它是不适于在薄形化的基板上使用(见图33的左1图),而NPVP厚铜箔由于它的表面层压一侧粗糙度(Rz=4.0)和表面抗蚀一侧的粗糙度(Rz=4.3)较小,因此均与薄形基材压合后,它们之间的接触界面是很光滑的,这类低粗糙度很小,适合于覆铜板及多层板的薄板制造(见图33的左起2、3图)。

图33 传统HTE厚铜箔与NPVP厚铜箔在制造薄板的电路可靠性上的对比


3.4.5厚铜箔未来发展趋势:技术挑战铜牙均一性与高可靠性

(1)在生箔方面:凸粒的抑制、大电流生产性、降低生产损耗率、实现生箔的更厚的厚度。

(2)在铜瘤方面:针对异常的凸起,提出解决的对策;

(3)阻热处理层(Barrier)方面:实现高耐热与高耐化特性;环保制程的研发与实施。

(4)硅烷处理层(Barrier)方面:实现高剥离强度;减少排废工艺制程的研发与实施。

随着车用电子的兴起,以及各式大电流与高散热的需求,我们预测厚铜箔的需求仍是呈现成长。

如何抑制“秃粒”的产生,这是这类产品的的重大技术攻关的关键。


3.5封装载板用或微细线路用铜箔

3.5.1如何实现高蚀刻系数

可以通过两种方法可以达到高蚀刻系数:降低铜箔粗糙度和降低铜箔厚度(见图34)。

(1)降低铜箔粗糙度:极低轮廓的铜箔制造技术;(2)降低铜箔厚度:可解决无微孔问题的极薄铜箔制造技术。

低粗糙与薄形箔的结合,是最佳的解决方案。即超薄铜箔达到3μm厚度和极低轮廓铜箔的粗糙度Rz≤2μm。

图34实现高蚀刻系数的两方面铜箔工艺途径(极低轮廓铜箔、极薄铜箔的铜箔制造)


3.5.2表面粗糙度对刻蚀性能的影响

降低铜箔表面粗糙度,可显著提高蚀刻因子,从而提高了精细电路的成形的能力。图35所示了古河电气(FCF)的实例。图36所示了日立化成无轮廓铜箔(profile free铜箔)的应用实例。

图35降低铜箔表面粗糙度可显著提高蚀刻因子及提高精细电路形成能力例

图36日立化成的profile free铜箔例


与其他覆铜板生产企业相比较,日立化成在无轮廓铜箔(profile free铜箔)的使用上,具有独到的技术,也即其克服了低表面粗度铜箔与基板基材的结合力低的问题。



3.5.3南亚公司的封装载板用或微细线路用铜箔介绍

Nan Ya公司提供了广泛的厚度和粗糙度的IC载板用电解铜箔品种,以满足不同客户的需求。图37、图38分别例举了四种南亚公司的封装载板用或微细线路用铜箔品种及电路蚀刻性能及粗糙度情况。图39提供了南亚公司封装载板用或微细线路用铜箔品种对应适用L/S尺寸的情况。

图37四种南亚公司的封装载板用或微细线路用铜箔品种及电路蚀刻性能


图38南亚公司封装载板用或微细线路用铜箔品种厚度规格及粗糙度情况



图39南亚公司封装载板用或微细线路用铜箔品种对应适用L/S尺寸的情况


南亚的有载体的极薄铜箔,有如下特点(参见图40):

(1)载体用箔:18μm厚; VLP级铜箔。

(2)脱模层:采用特殊合金涂层,具有较好的剥离强度和热稳定性。南亚在台湾、日本、美国和中国大陆都获得专利权。

(3)超薄原铜箔:有可提供多种单位面积重量的多个规格铜箔,为客户提供不同类型的产品。

(4)铜瘤层:有两种模式:即标准铜晶粒和微细的铜晶粒。

图40南亚的有载体极薄铜箔结构、性能特点


南亚的有载体极薄铜箔的主要性能如表10所示。




表10南亚有载体铜箔的基本性能

(说明:由于某些原因,所定义的超薄铜箔厚度的规则与普通铜箔不同)


南亚的有载体极薄铜箔的NPU和NPUE两品种的性能区别在于:NPU系列铜箔是标准晶粒模式,它的晶粒直径在1.0μm。而NPUE是微细晶粒模式,它的晶粒直径在0.5μm(见图41)。

图41 NPU和NPUE两品种有载体极薄铜箔晶粒情况


3.5.4 针对铜瘤处理方式的变化

可从图42、表11中所示的日本的三井金属公司、日矿金属铜箔公司极薄铜箔产品特性,可看出他们针对铜瘤处理方式上发生了新变化。


图42三井金属公司有载体极薄铜箔的主要性能


表11 JX日矿金属有载体极薄铜箔的表面形貌与典型性能

3.5.5极薄铜箔未来发展趋势:技术挑战铜牙均一性与高可靠性

应用于封装载板或微细线路的极薄铜箔未来发展趋势:技术挑战铜牙均一性与高可靠性。

在无载体的极薄铜箔方面的主要课题:厚度的薄型化、生箔蚀刻速率的提高、

粗化铜瘤的细致化与蚀刻性能的提高

在有载体的极薄铜箔方面的主要课题:厚度的薄型化、薄铜箔与载体铜的改进、实现可控制的撕离力。


3.6 锂电池用铜箔

南亚的锂电池用铜箔的品种及主要性能见图43、图44。



图42南亚VC系列锂电池用铜箔的主要性能

图43 南亚VH系列锂电池用铜箔的主要性能

 

3.7 特殊其他用途铜箔

当前,在铜箔市场方面,还其它的特殊用途的铜箔需求。它们包括:

(1)抗EMI(Electro Magnetic Interference,电磁干扰)领域用采用黑色与薄形化技术的铜箔。

(2)太阳能领域用特殊的结构设计的铜箔。

(3)被动元件(无源元件)领域用采用表面不同元素的电镀技术的铜箔。

(4)具有多孔性的特殊结构铜箔。

(5)其他:新的导电、导热熟与EMI需求的铜箔等 。


 
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