銅箔是PCB的重要組成原料,銅箔的主要作用是傳輸電流和信號,此外還可以做為參考平面來控制傳輸線的阻抗,或做為屏蔽層來抑制電磁干擾。
FR4覆銅板上的銅箔
在PCB制造過程中,銅箔的純度、厚度、表面粗糙度、剝離強(qiáng)度、蝕刻性能、熱膨脹系數(shù)等特性也會影響PCB制造的質(zhì)量和可靠性。
純度(Purity):銅箔的純度通常在99.5%以上,高純度有助于提高導(dǎo)電率,減少雜質(zhì)帶來的電氣問題。
厚度(Weight):銅箔的厚度通常以盎司(oz)為單位進(jìn)行測量,1盎司銅箔可以覆蓋1平方英尺(ft2)的面積,厚度大約為1.4 mils(千分之一英寸)。銅厚影響線路的電流承載能力和PCB的散熱性能。
剝離強(qiáng)度(Peel Strength):銅箔與絕緣基材之間的粘接強(qiáng)度,可以用牛頓每米(N/m)來表示,影響PCB的機(jī)械穩(wěn)定性和可靠性。
在PCB的制造過程中,如層壓、鉆孔和電鍍等步驟,都需要銅箔與基材之間有足夠的剝離強(qiáng)度以抵抗熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。如果剝離強(qiáng)度不足,銅箔可能會在加工過程中與基材分離。同時(shí)隨著線寬越來越小,銅箔的剝離強(qiáng)度也隨之變低,因此如果條件允許的話,可以在焊盤位置加淚滴,防止焊接過程出現(xiàn)線路脫落。
焊盤添加淚滴
熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion, CTE):是指銅箔在溫度變化時(shí)單位長度的尺寸變化量,影響到PCB在不同溫度下尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械應(yīng)力。銅箔的CTE應(yīng)與PCB上的其他材料相匹配,以減少熱應(yīng)力和提高可靠性。
為了提高PCB的可靠性,需要選擇于其他材料CTE一致的銅箔,或通過設(shè)計(jì)層壓工藝來減少不同材料之間CTE的差異。同時(shí)需要精確控制PCB制造過程中的溫度,減少由于熱膨脹引起的質(zhì)量問題。
抗蝕性(Etchability):在PCB制造過程中,銅箔需要經(jīng)過蝕刻過程以形成所需的電路圖案,抗蝕性影響蝕刻的質(zhì)量和效率。蝕刻質(zhì)量包含:蝕刻過程的精度,蝕刻均勻性,蝕刻后表面的平滑度等。
表面粗糙度(Surface Roughness):銅箔的表面粗糙度影響其與絕緣材料的結(jié)合強(qiáng)度和焊接性,但是對于高速信號來講,銅箔表面越光滑越好。
不同粗糙度銅面的電鏡照片
當(dāng)信號頻率變高時(shí),PCB線路中的電流會集中在其表面一定深度內(nèi)流動,這也被稱為趨膚效應(yīng)。銅箔表面越光滑,信號傳播過程的對于信號得衰減也越小,相應(yīng)的傳輸線的阻抗控制也越好。
銅面粗糙度對信號傳輸?shù)挠绊?/span>
銅箔從制造工藝上可以分為兩種:壓延(Rolled)與電解沉積(Electrodeposited),不同制造工藝的銅箔都有其特定應(yīng)用場景。
退火軋制銅(Rolled Annealed):通過將錠材軋制成非常薄的箔片制成,晶粒結(jié)構(gòu)呈水平取向。由于軋制會在銅箔上產(chǎn)生應(yīng)力,需要通過熱退火來去除應(yīng)力。退火軋制銅的每一面光潔度都比較高,因此在覆銅板加工時(shí)需要在樹脂一側(cè)做出銅牙,提高銅箔的剝離強(qiáng)度。一般做出樹脂銅牙的深度約時(shí)電沉積銅銅牙的一半,因此剝離強(qiáng)度也約為電沉積銅的一半。
由于表面光潔度較好,退火軋制銅箔在傳輸13GHz以上的信號時(shí),可表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
退火軋制銅箔
電沉積銅(Electro Deposited):通過旋轉(zhuǎn)鼓上電鍍,從而產(chǎn)生垂直取向的晶粒結(jié)構(gòu)的銅箔。在鼓面外側(cè),銅鍍層粗糙,可以提供較強(qiáng)的剝離強(qiáng)度,但是當(dāng)傳輸信號頻率較高時(shí)也會對信號造成較大的衰減。
電沉積銅箔
在以上兩種基礎(chǔ)制造工藝的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同的應(yīng)用需求衍生出了很多類型的銅箔。
高溫高延伸性銅箔(HTE):又稱為HD銅箔,在高溫(180℃)時(shí)保持有優(yōu)異延伸率的銅箔。其中,35μm和70μm厚度的銅箔高溫(180℃)下的延伸率能達(dá)到4%-10%。
反向處理銅箔(RTF):也叫反轉(zhuǎn)銅箔,在標(biāo)準(zhǔn)的電解銅箔(ED銅箔)或軋制退火銅箔(RA銅箔)的基礎(chǔ)上,對銅箔的表面進(jìn)行粗糙化處理,以改善其與絕緣材料(通常是預(yù)浸料或預(yù)浸漬材料,即prepreg)的粘合性能。
RTF銅箔的反向處理面提供了更好的粘附力,可以降低層間剝離的風(fēng)險(xiǎn),有助于提高PCB的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
雙面處理銅箔(DST):對光面和粗面都做粗化處理,主要目的是降低成本,對光面進(jìn)行粗化處理可以省掉壓膜前的銅面處理及棕化步驟??勺鳛槎鄬影鍍?nèi)層的銅箔,不必在多層板壓合前再進(jìn)行棕化處理。
缺點(diǎn)是銅面可能有劃傷,且一旦有污染去除較困難。
低輪廓銅箔(LP):低輪廓這里是泛指,輪廓進(jìn)一步低的還有VLP銅箔,HVLP銅箔,HVLP2等。低輪廓銅箔的結(jié)晶很細(xì)膩(在2μm以下),為等軸晶粒,不含柱狀的晶體,呈成片層狀結(jié)晶,且棱線平坦,有利于信號的傳輸。目前LP銅箔主要用于高頻高速PCB。
涂樹脂銅箔(RCC):又稱為附樹脂銅箔,背膠銅箔。它是在薄電解銅箔(厚度一般≦18μm)的粗化面上涂覆一層或兩層特殊組成的樹脂膠液(樹脂的主要成分通常是環(huán)氧樹脂),經(jīng)烘箱的加工干燥脫去溶劑、樹脂成為半固化階段的形式。
RCC所用的厚度一般不超過18μm,目前常用12μm為主,樹脂層的厚度一般在40—100μm。它在積層法多層板的制作過程中,起到代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半固化片與銅箔二者的作用。
超薄銅箔(UTF):指厚度小于12μm以下的銅箔,常見的是9μm以下的銅箔,使用在制造微細(xì)線路的PCB上。由于極薄銅箔在拿取上困難,因此一般有載體作為支撐,載體的種類有銅箔、鋁箔、有機(jī)薄膜等。
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