5G用印制板低粗糙度导体的结合力挑战

林金堵

本刊名誉主编

由于5G通信的信号处理和传输的高频高速化的发展，信号传输的趋肤效应越来越严重化，信号传输越来越靠近铜导体表面层进行。由于表面层的粗糙度或称轮廓度会引起传输信号发生“驻波”、“反射”等而造成信号损失，并随着高频高速化而越来越严重，根据公开资料报道[1]，在毫米波（一般指≥34 GHz）范围进行操作的话，常规铜表面粗糙度造成信号传输损失占25%。因此，要求印制电路板（PCB）铜导体表面粗糙度越来越小直至无粗糙度化！同时，由于PCB高密度化，降低铜表面粗糙度不仅能降低铜与树脂之间的结合力，而且密度高产生热量更大，还得提高结合力才行！

目前，PCB制造技术中面临着：

（1）降低铜表面低粗糙度到无粗糙度课题；

（2）提高铜表面低或无粗糙度与树脂类之间的结合力问题。

1 铜导体表面低粗糙度的提出

正如世间的一切事物都有“两面性”一样，PCB铜导体表面粗糙度也有“正”与“负”的“两面性”。从PCB发展史来看，铜导体表面粗糙度将从“提高结合力”的“正能量”走向阻碍信号传输的“负作用”，这是信号传输高频高速化发展的结果！

1.1 铜导体表面粗糙度的历史功绩

在100多年来的PCB发展史中，由于传输信号频率不高，“趋肤效应”影响信号传输损失不大。由于PCB内铜与树脂之间的结合力是差的，通过提高铜导体的粗糙度，可以提高“比表面积”，达到增加与树脂之间的结合面积目的，从“物理作用力”角度看，两物体之间“比表面积”（或接触面积）越大，则它们之间的结合力就越大。因此“微米波”内的信号传输PCB，为了提高铜导体与介质层的结合力，往往是采用提高铜导体表面的粗糙度来达到目的的。因此长期以来，适当提高铜导体表面粗糙度可以改善铜导体与介质（树脂）之间的结合力！

1.2 铜导体表面粗糙度将走向历史终结

由于PCB的铜导体信号传输高频高速化，频率越高“趋肤效应”使铜导体信号传输的厚度越来越薄（见表1所示）。如果信号传输主要是在粗糙度的厚度内进行的话，则铜导体表面粗糙度已经严重影响着信号传输的损失。因此，根据信号传输的高频化程度要求铜导体的表面必须具有低或超低粗糙度或无粗糙度化！

2 铜导体表面低粗糙度的获得

如何获得铜导体表面低、超低或无的粗糙度？一般来说，可采用物理方法、化学方法和电化学方法等来达到目的。这些方法的精细度的控制对PCB[包括覆铜板（CCL）的铜箔处理面]的制造技术是个严格的挑战！

2.1 采用机械刷磨等的物理方法

利用机械刷磨设备并加入合适目数（颗粒等级）的火山灰或氧化铝（Al2O3）粉进行刷磨，采用这种方法所得到的表面粗糙度很难获得≤2 μm，同时，清洗干净较难，必须高压清洗。

2.2 采用微蚀刻剂的化学方法

利用特种或专用的酸性（或碱性）微蚀刻剂或各种粗化液进行铜导体表面微蚀刻处理，目前我国多家化学品厂商已经能提供达到≤2 μm的表面粗糙度的产品，而Atotech公司甚至可达到0.2 μm表面粗糙度的微蚀刻剂[1]。

2.3 采用电解化学蚀刻技术

这种方法有化学蚀刻过程和电解蚀刻过程的复合工艺。化学蚀刻剂的蚀刻过程是选择表面薄弱处优先进行，或者说结晶界面的蚀刻速度高于结晶内部，结果形成凹凸不平的表面（粗糙度）。而电解深刻过程是由于电流密度是相对集中在凸出（尖端）部位，因此凸部位的蚀刻速度要大于凹部位。只要控制好合适电流量（电流密度）和蚀刻剂浓度，就可以获得低或无粗糙度的表面[3]。电解蚀刻可以获得很大的蚀刻因子，比常规蚀刻剂的蚀刻因子可提高1倍（见表2所示），这是低或无粗糙度表面的根本原因。电解蚀刻随着不断实践和进步，其蚀刻因子数值会稳定在8.5～9.0或9.0～9.5之间。

3 提高铜导体表面低粗糙度的结合力的出路

超低或无粗糙度的铜表面与树脂之间的结合力如何来解决？既然不能采用粗糙度的物理方法,可以采用化学方法来解决结合力问题。通过分析研究和试验：一是在铜面与树脂之间加入“偶联剂”（或称“键合剂”）等化学方法，达到既不损伤粗糙度又可提高铜与树脂之间的结合力；二是这些加入层（偶联剂等）必须耐热（或耐高温）型的，如耐热≥300 ℃的材料。

表1 信号传输频率与铜表粗糙厚度的关系

表2 各种蚀刻技术的蚀刻因子

这些“偶联剂”的特点是同时含有两种不同化学性质基团的化学物，既有能与无机材料（金属、玻纤布等）进行化学作用的反应基团，又有能与有机材料（树脂等）形成化学结合（或熔合作用）的反应基团。

3.1 加入“偶联剂”进行“键合作用”的方法

正如为了提高玻纤布与半固化片树脂之间的结合强度而加入硅烷“偶联剂”一样，在低或无粗糙度的铜表面与树脂（半固化片、干膜、阻悍剂等）之间加入一层“偶链剂”来提高结合力之目的。由于这些“偶联剂”与铜面的铜仅发生电子之间的“配位作用”（外层电子云重新分配）而形成键合或络合效果，并不影响铜表面状态的变化，因此达到既保护铜表面形态又获得比依靠粗糙度有更高的结合力！

这些“偶联剂”的分子结构必须具备氮、氧和硫至少两部分（两端）功能：（1）其一端官能团能与低或无粗糙度的铜发生键合（络合）作用；（2）另一端官能团能与树脂类产生“聚合作用”或“溶（熔）合作用”。这是“偶联剂”的作用机理。

3.2 氮杂环类“偶联剂”

经过长期开发研究,这种“偶联剂”主要有氮杂环、有机硅烷、烷基硫醇和长链有机酸等，首选的应该是氮杂环中的咪唑类聚合物。

咪唑类聚合物是氮杂环聚合物类中的一个类别。咪唑是二唑（Diazole）的一种，其结构是有两个间位氮原子的五芳杂环化学物（见图1所示）。这种咪唑环的一个基团的“1-位”氮原子的未共用电子对参与环状共轭，使氮原子上的氢（=NH）易以氢离子状态而离开,使得氮的电子对可直接与铜等金属的2d10（最外层电子对）形成“配位键”而成为螯合物（络合物），并在铜等金属表面上成膜而不影响铜表面粗糙度。而另一端基团是具有有机功能性基团或双键结构的不饱和基团（如双键、醛基、环氧基等基团）能与树脂（半固化片、抗蚀或阻悍干膜等）进行融合作用或与树脂的单体或聚合物进行聚合反应而形成牢固的结合体，这样的结果就明显地提高了铜表面的结合强度，咪唑类聚合物形成的偶联剂的键合作用和聚合作用原理图见图2所示。

图1 咪唑的结构图

图2 苯并咪唑与铜表面的键合作用原理示意图

咪唑是二唑（Diazole）的一种，其结构是有两个间位氮原子的五芳杂环化学物。由于咪唑属五芳环结构，其所合成的化学物的分解温度高（一般都≥350 ℃），溶解度大（241 g/100 g水）因此，这种咪唑类键合剂不仅能用于干膜、阻焊剂上，还可以取代内层的氧化处理而用于多层板的层压上。由图2可见咪唑类聚合物形成的偶联剂的键合作用和聚合作用原理：（1）从立体角度可知，表面铜分子可与四个氮基的电子配位“键合”；（2）把苯并咪唑的苯环用其他基团取代形成可与树脂“聚合反应”，就形成为“偶联剂”了。

3.3 加入硅烷类“偶联剂”的键合作用

硅烷偶联剂在CCL中的玻纤布的处理而提高与树脂间的结合强度应用已有很长历史了。这种技术应用于PCB 制造是可行的。硅烷偶联剂也是具有两种不同性质的基团，可用YSiX3表示，其中：Y—非水解基团，包括链烯基（如乙烯基）以及末端带有Cl、NH2、SH、N3等，可与有机材料结合；Si—硅；X—能水解基团，如氯基、甲氧基、乙氧基、乙烯氧基等，水解后形成硅醇-Si(OH)3可与无机材料结合，形成硅氧烷（见图3所示），可以明显提高结合强度。

从图3中可看出,硅烷偶联剂也是具有两个不同化学性质的基团（X与Y），其中：X基团通过水解形成硅羟基-Si(OH)3，能与无机材料（玻纤布、金属、硅酸盐及其氧化物等）表面进行键合作用，也会部分进行“缩合作用”（指3个-OH比赛全部进行键合作用），这种作用后也能保持金属表面粗糙度不变状态；而Y基团可分别含有胺基、环氧基、不饱和双键等的基团。由于Y基团的种类差别，对不同有机树脂聚合物有选择性（如含有胺基的硅烷都能与环氧树脂、聚氨酯、酚醛树脂、三聚氰胺等发生聚合反应）。

图3 硅烷类偶联（键合）剂的机理（摘自公开资料）

3.4 加入其他类型“偶联剂”

除了上述的氮杂环类偶联剂、有机硅烷类的“偶联剂”外，还可以采用烷基硫醇、长链有机酸等，但这些化合物难溶或不溶于水，对于制造技术和成本等会带来难度和问题，不适合于PCB制造技术，故不予评论。

当然也可采用加入“金属（合金）层”+“偶联剂”模式的制造方法，即在铜面上先形成合金层（大多采用锡或锡合金）后，在合金上再进行偶联剂化。虽然可以提高结合力。这种结构可以提高铜表面防氧化能力和结合力，然而这个合金层的电阻要比铜大好多倍，同时锡与铜会不断形成变化的“暂态合金层”，这些都会形成新的疏松结构（内应力变化引起）和新的粗糙度表面，这显然是不利于高频高速信号传输和可靠性的要求。

4 结束语

从上述的情况看，提高低粗糙度铜表面与树脂等之间的结合力，显然采用加入“偶联剂”而进行键合作用的模式是可取的很好方法。而对于PCB制造工艺技术而言，由于咪唑类的“偶联剂”的溶解度高，其制造工艺技术可完全类似于OSP（有机可焊性保护剂）的制造工艺技术，既工艺简单又成本很低，因此采用咪唑类的“偶联剂”的模式是最有利的，可喜的是我国深圳板明科技公司等已能提供产品！