5G用印制板低粗糙度導體的結合力挑戰(zhàn)

林金堵

本刊名譽主編

由于5G通信的信號處理和傳輸?shù)母哳l高速化的發(fā)展，信號傳輸?shù)内吥w效應越來越嚴重化，信號傳輸越來越靠近銅導體表面層進行。由于表面層的粗糙度或稱輪廓度會引起傳輸信號發(fā)生“駐波”、“反射”等而造成信號損失，并隨著高頻高速化而越來越嚴重，根據(jù)公開資料報道[1]，在毫米波（一般指≥34 GHz）范圍進行操作的話，常規(guī)銅表面粗糙度造成信號傳輸損失占25%。因此，要求印制電路板（PCB）銅導體表面粗糙度越來越小直至無粗糙度化！同時，由于PCB高密度化，降低銅表面粗糙度不僅能降低銅與樹脂之間的結合力，而且密度高產生熱量更大，還得提高結合力才行！

目前，PCB制造技術中面臨著：

（1）降低銅表面低粗糙度到無粗糙度課題；

（2）提高銅表面低或無粗糙度與樹脂類之間的結合力問題。

1 銅導體表面低粗糙度的提出

正如世間的一切事物都有“兩面性”一樣，PCB銅導體表面粗糙度也有“正”與“負”的“兩面性”。從PCB發(fā)展史來看，銅導體表面粗糙度將從“提高結合力”的“正能量”走向阻礙信號傳輸?shù)摹柏撟饔谩?，這是信號傳輸高頻高速化發(fā)展的結果！

1.1 銅導體表面粗糙度的歷史功績

在100多年來的PCB發(fā)展史中，由于傳輸信號頻率不高，“趨膚效應”影響信號傳輸損失不大。由于PCB內銅與樹脂之間的結合力是差的，通過提高銅導體的粗糙度，可以提高“比表面積”，達到增加與樹脂之間的結合面積目的，從“物理作用力”角度看，兩物體之間“比表面積”（或接觸面積）越大，則它們之間的結合力就越大。因此“微米波”內的信號傳輸PCB，為了提高銅導體與介質層的結合力，往往是采用提高銅導體表面的粗糙度來達到目的的。因此長期以來，適當提高銅導體表面粗糙度可以改善銅導體與介質（樹脂）之間的結合力！

1.2 銅導體表面粗糙度將走向歷史終結

由于PCB的銅導體信號傳輸高頻高速化，頻率越高“趨膚效應”使銅導體信號傳輸?shù)暮穸仍絹碓奖。ㄒ姳?所示）。如果信號傳輸主要是在粗糙度的厚度內進行的話，則銅導體表面粗糙度已經嚴重影響著信號傳輸?shù)膿p失。因此，根據(jù)信號傳輸?shù)母哳l化程度要求銅導體的表面必須具有低或超低粗糙度或無粗糙度化！

2 銅導體表面低粗糙度的獲得

如何獲得銅導體表面低、超低或無的粗糙度？一般來說，可采用物理方法、化學方法和電化學方法等來達到目的。這些方法的精細度的控制對PCB[包括覆銅板（CCL）的銅箔處理面]的制造技術是個嚴格的挑戰(zhàn)！

2.1 采用機械刷磨等的物理方法

利用機械刷磨設備并加入合適目數(shù)（顆粒等級）的火山灰或氧化鋁（Al2O3）粉進行刷磨，采用這種方法所得到的表面粗糙度很難獲得≤2 μm，同時，清洗干凈較難，必須高壓清洗。

2.2 采用微蝕刻劑的化學方法

利用特種或專用的酸性（或堿性）微蝕刻劑或各種粗化液進行銅導體表面微蝕刻處理，目前我國多家化學品廠商已經能提供達到≤2 μm的表面粗糙度的產品，而Atotech公司甚至可達到0.2 μm表面粗糙度的微蝕刻劑[1]。

2.3 采用電解化學蝕刻技術

這種方法有化學蝕刻過程和電解蝕刻過程的復合工藝?；瘜W蝕刻劑的蝕刻過程是選擇表面薄弱處優(yōu)先進行，或者說結晶界面的蝕刻速度高于結晶內部，結果形成凹凸不平的表面（粗糙度）。而電解深刻過程是由于電流密度是相對集中在凸出（尖端）部位，因此凸部位的蝕刻速度要大于凹部位。只要控制好合適電流量（電流密度）和蝕刻劑濃度，就可以獲得低或無粗糙度的表面[3]。電解蝕刻可以獲得很大的蝕刻因子，比常規(guī)蝕刻劑的蝕刻因子可提高1倍（見表2所示），這是低或無粗糙度表面的根本原因。電解蝕刻隨著不斷實踐和進步，其蝕刻因子數(shù)值會穩(wěn)定在8.5～9.0或9.0～9.5之間。

3 提高銅導體表面低粗糙度的結合力的出路

超低或無粗糙度的銅表面與樹脂之間的結合力如何來解決？既然不能采用粗糙度的物理方法,可以采用化學方法來解決結合力問題。通過分析研究和試驗：一是在銅面與樹脂之間加入“偶聯(lián)劑”（或稱“鍵合劑”）等化學方法，達到既不損傷粗糙度又可提高銅與樹脂之間的結合力；二是這些加入層（偶聯(lián)劑等）必須耐熱（或耐高溫）型的，如耐熱≥300 ℃的材料。

表1 信號傳輸頻率與銅表粗糙厚度的關系

表2 各種蝕刻技術的蝕刻因子

這些“偶聯(lián)劑”的特點是同時含有兩種不同化學性質基團的化學物，既有能與無機材料（金屬、玻纖布等）進行化學作用的反應基團，又有能與有機材料（樹脂等）形成化學結合（或熔合作用）的反應基團。

3.1 加入“偶聯(lián)劑”進行“鍵合作用”的方法

正如為了提高玻纖布與半固化片樹脂之間的結合強度而加入硅烷“偶聯(lián)劑”一樣，在低或無粗糙度的銅表面與樹脂（半固化片、干膜、阻悍劑等）之間加入一層“偶鏈劑”來提高結合力之目的。由于這些“偶聯(lián)劑”與銅面的銅僅發(fā)生電子之間的“配位作用”（外層電子云重新分配）而形成鍵合或絡合效果，并不影響銅表面狀態(tài)的變化，因此達到既保護銅表面形態(tài)又獲得比依靠粗糙度有更高的結合力！

這些“偶聯(lián)劑”的分子結構必須具備氮、氧和硫至少兩部分（兩端）功能：（1）其一端官能團能與低或無粗糙度的銅發(fā)生鍵合（絡合）作用；（2）另一端官能團能與樹脂類產生“聚合作用”或“溶（熔）合作用”。這是“偶聯(lián)劑”的作用機理。

3.2 氮雜環(huán)類“偶聯(lián)劑”

經過長期開發(fā)研究,這種“偶聯(lián)劑”主要有氮雜環(huán)、有機硅烷、烷基硫醇和長鏈有機酸等，首選的應該是氮雜環(huán)中的咪唑類聚合物。

咪唑類聚合物是氮雜環(huán)聚合物類中的一個類別。咪唑是二唑（Diazole）的一種，其結構是有兩個間位氮原子的五芳雜環(huán)化學物（見圖1所示）。這種咪唑環(huán)的一個基團的“1-位”氮原子的未共用電子對參與環(huán)狀共軛，使氮原子上的氫（=NH）易以氫離子狀態(tài)而離開,使得氮的電子對可直接與銅等金屬的2d10（最外層電子對）形成“配位鍵”而成為螯合物（絡合物），并在銅等金屬表面上成膜而不影響銅表面粗糙度。而另一端基團是具有有機功能性基團或雙鍵結構的不飽和基團（如雙鍵、醛基、環(huán)氧基等基團）能與樹脂（半固化片、抗蝕或阻悍干膜等）進行融合作用或與樹脂的單體或聚合物進行聚合反應而形成牢固的結合體，這樣的結果就明顯地提高了銅表面的結合強度，咪唑類聚合物形成的偶聯(lián)劑的鍵合作用和聚合作用原理圖見圖2所示。

圖1 咪唑的結構圖

圖2 苯并咪唑與銅表面的鍵合作用原理示意圖

咪唑是二唑（Diazole）的一種，其結構是有兩個間位氮原子的五芳雜環(huán)化學物。由于咪唑屬五芳環(huán)結構，其所合成的化學物的分解溫度高（一般都≥350 ℃），溶解度大（241 g/100 g水）因此，這種咪唑類鍵合劑不僅能用于干膜、阻焊劑上，還可以取代內層的氧化處理而用于多層板的層壓上。由圖2可見咪唑類聚合物形成的偶聯(lián)劑的鍵合作用和聚合作用原理：（1）從立體角度可知，表面銅分子可與四個氮基的電子配位“鍵合”；（2）把苯并咪唑的苯環(huán)用其他基團取代形成可與樹脂“聚合反應”，就形成為“偶聯(lián)劑”了。

3.3 加入硅烷類“偶聯(lián)劑”的鍵合作用

硅烷偶聯(lián)劑在CCL中的玻纖布的處理而提高與樹脂間的結合強度應用已有很長歷史了。這種技術應用于PCB 制造是可行的。硅烷偶聯(lián)劑也是具有兩種不同性質的基團，可用YSiX3表示，其中：Y—非水解基團，包括鏈烯基（如乙烯基）以及末端帶有Cl、NH2、SH、N3等，可與有機材料結合；Si—硅；X—能水解基團，如氯基、甲氧基、乙氧基、乙烯氧基等，水解后形成硅醇-Si(OH)3可與無機材料結合，形成硅氧烷（見圖3所示），可以明顯提高結合強度。

從圖3中可看出,硅烷偶聯(lián)劑也是具有兩個不同化學性質的基團（X與Y），其中：X基團通過水解形成硅羥基-Si(OH)3，能與無機材料（玻纖布、金屬、硅酸鹽及其氧化物等）表面進行鍵合作用，也會部分進行“縮合作用”（指3個-OH比賽全部進行鍵合作用），這種作用后也能保持金屬表面粗糙度不變狀態(tài)；而Y基團可分別含有胺基、環(huán)氧基、不飽和雙鍵等的基團。由于Y基團的種類差別，對不同有機樹脂聚合物有選擇性（如含有胺基的硅烷都能與環(huán)氧樹脂、聚氨酯、酚醛樹脂、三聚氰胺等發(fā)生聚合反應）。

圖3 硅烷類偶聯(lián)（鍵合）劑的機理（摘自公開資料）

3.4 加入其他類型“偶聯(lián)劑”

除了上述的氮雜環(huán)類偶聯(lián)劑、有機硅烷類的“偶聯(lián)劑”外，還可以采用烷基硫醇、長鏈有機酸等，但這些化合物難溶或不溶于水，對于制造技術和成本等會帶來難度和問題，不適合于PCB制造技術，故不予評論。

當然也可采用加入“金屬（合金）層”+“偶聯(lián)劑”模式的制造方法，即在銅面上先形成合金層（大多采用錫或錫合金）后，在合金上再進行偶聯(lián)劑化。雖然可以提高結合力。這種結構可以提高銅表面防氧化能力和結合力，然而這個合金層的電阻要比銅大好多倍，同時錫與銅會不斷形成變化的“暫態(tài)合金層”，這些都會形成新的疏松結構（內應力變化引起）和新的粗糙度表面，這顯然是不利于高頻高速信號傳輸和可靠性的要求。

4 結束語

從上述的情況看，提高低粗糙度銅表面與樹脂等之間的結合力，顯然采用加入“偶聯(lián)劑”而進行鍵合作用的模式是可取的很好方法。而對于PCB制造工藝技術而言，由于咪唑類的“偶聯(lián)劑”的溶解度高，其制造工藝技術可完全類似于OSP（有機可焊性保護劑）的制造工藝技術，既工藝簡單又成本很低，因此采用咪唑類的“偶聯(lián)劑”的模式是最有利的，可喜的是我國深圳板明科技公司等已能提供產品！