对应实现大容量高速传输的高频印制板镀覆技术

渡边充広

関東学院大学 综合研究推进机构 教授

马明诚 译

本刊副主编

1 镀覆对于电子产品用印制板的性能及电路形成的重要性

印制板是构成各类电子产品的重要元器件，在十分广阔的工业及生活领域只要有电子产品都离不开的配套电子元器件。日本工业标准（JIS）把仅形成线电路状态的板定义为印制线路板（PWB，Printed Wiring Board），把安装了电子元器件及印制元件具有电子电路功能板定义为印制电路板（PCB，Printed Circuit Board）。印制板是印制电路板和印制线路板的总称。印制板的作用即是实现电子元件之间的电气互联发挥其各自功能作用又是电子元器件的载体。印制板大体分为刚性板、挠性板、刚挠结合板和金属基等四大类型。与其各自相对应使用的基材分别是玻纤环氧树脂覆铜板（FR-4），以聚酰亚为主的各类挠性覆铜板、刚挠性基材（根据其用途选用相应的基材）、金属基覆铜箔板。

电镀涂覆（镀覆）是印制板生产不可缺少的技术，如图1所示，电路的形成、安装用镀通孔、导通孔（层间互连过孔）等的形成。为了便于元器件的安装最后要对印制电路表面进行多种多样的镀覆处理。印制板所用的主要基材覆铜板的铜箔就是采用电镀生产。电镀对于半导体及各种元器件的生产都是不可或缺的技术。若往大里说，没有“电镀、涂覆” 技术也就没有现如今的轻薄短小、高性能和多功能的电子产品，这绝不是言过其实。作为高度信息化社会电子产品心脏印制板的重要作用日益突显出来。印制板的电路形成及其表面的镀覆层性能要求比以往任何时候都更加严格。信号传输的高频化，高速化对印制板来说过去不成问题的问题现在却是不可轻视的重要问题了。作为改进这一问题的措施，新的镀覆技术成为十分必要的技术之一。

图1 印制电路板镀覆处理示例

2 高速，宽频带的下一代通讯

2.1 面向高度信息化社会下一代通讯（6G）

互联网和手机的普及使人类社会生活发生巨大变化，如今IoT（互联网）和自动驾驶也正在逐步进入5G时代。世界上正在积极推进5G基站建设和加强服务工作，期待5G超高速传输、大容量和低延迟通讯、多路系统的互连，可以实现高清晰画质数据瞬间传输和接收，从而能实现自动驾驶。随着接入互联网数量的不断增加，数据处理量必然会随之大幅度增长。预计数年后将会不能满足数据处理的需求，目前各国都在积极围绕6G技术开展研发。ITU（国际电气通讯联合会）目前建了到2030年实现6G网络的专门机构，探讨扩展5G未来实现100 GHz左右的可行性。美国联邦通信委会CFCC暗示其正在进行95 GHz～3 THz的6G技术研发。6G传输速度10倍于5G的传输速度。通讯速度超高速化能像神经所起的作用那样把现实世界与虚拟世界无需任何助力的条件下连接起来。预计不久超高速传输能起到像人类的视觉、听觉、触觉那样无延迟的传输信息，无论在世界上任何地方都能真实的快速选人、物的信息。目前世界各国已经围绕6G的导入开展多方面的竞争。

日本总务省将下一代5G命名为“Beyond 5G”（超越5G），召开了“Beyond 5G战略” 座谈会，并探讨了日本今后社会的改善问题。图2是日本总务省有关以信息化为基础预测6G路线模型图。

图2 至6G路线

2.2 高速信号处理的必要性

增加信息传输量和数据的处理量是实现高度信息化社会的必然趋势，随着IoT（物联网）的不断向前推进，可以说通过5G、6G处理数据的量呈现爆炸式增加的态势，这些数据如果不及时处理快速传输和灵活应用，那就没有任何意义可言。要想提供并获得实时信息，就必须对大量的数据进行运算处理和高速传输，可以说对数据高速运算处理并及时瞬间高速传输之间相互配合是十分重要的问题。数据的处理是通过半导体进行运算处理，其高速化地运算处理是与时代同步发展进步的。时至今日，普通电脑所安装的1G功能半导体，连接半导体的电路传输损耗和延迟仍然是存在的问题之一。也就是说印制板的信号传输性能并未紧紧追赶上半导体的前进步伐。今后提高印制板的信号传输性能是适应高速信息化社会电子产品需求的重要课题。

3 适应高频要求的电路板

3.1 以往电路板的问题

过去一般印制板主要使用以便于加工和低成本的玻纤环氧树脂覆铜板（FR-4）、挠性印制板主要用聚酰亚胺膜覆铜板。这些树脂基材与电路铜箔的黏结需要通过对铜箔黏结面进行处理使之表面有数微米凹凸。

众所周知，流经电路的电信号传输速度与介质材料的介电常数（Dk）成反比，而传输损耗又受到介质材料的介质损耗因数和电路导体的导电率及其表面粗糙影响。电流流动有趋肤效应，流动电流的频率越高受到趋肤效应的影响就越大，见图3所示。

图3 趋肤效应

如将电流流过的有效表面的厚度称为表皮厚度，则频率越高其值越小，铜导体电路时频率1 GHz表皮厚度为2 μm；当频率10 GHz时表皮厚度为0.66 μm；当频率100 GHz时其值约为0.21 μm。电路表面实施镀覆Ni/Au处理也会有令人担心导体损耗问题。电路导体表面的粗糙度与传输损耗密切相关，导体表面越粗糙损耗也就越多。因此，应用于高频的印制板所使用的基材要具有低介电常数和低介质损耗因数，而且基材还应在使用环境条件下具有稳定性能，这一点也是十分重要。从降低导体损耗角度来说，高导电率导体和其表面平滑同样都很重要。一般的环氧树脂类印制电路板和聚酰亚胺树脂挠性电路板在应对高频用途方面今后还有许多各类问题需要解决。

3.2 适用于高频要求印制板用覆铜板

在选择应用于高频覆铜板时，必定会遇到介电常数和介质损耗因数这两个术语。所谓介电常数（ε）是指物质所带电荷感应极化所引起的物质物理特性变化程度的参数。我们一般常用相对介电常数表征电介质或绝缘材料的电性能。相对介电常数是在规定形状电极之间的物质电容量与相同电极之间为真空时的电容之比，它是无量纲量。我们印制板用覆铜板的“介电常数”大多都是指相对介电常数。介质损耗因数（有时又称介质损耗角正切）是指介质体内损耗电能程度值，其值越小，损耗也越少。如前面所述，印制板所用基材考虑到加工成本问题，目前FR-4仍是最主要的所用基材。FR-4不仅介电常数、介质损耗因数偏大，而且其有吸湿性，暴露于使用环境下，其绝缘性能稳定性也有欠缺。FR-4不适合作为高频电路板基板使用。信号传输速度与介电常数相关，介电常数越小，传输速度越高；介质损耗因数大将会吸收微波信号，就不能有效地传输信号，频率越高这种现象就越明显，所以希望高频高速电路板用覆铜板的介电常数和介质损耗因数尽可能要小，这是十分重要的。图4所示的是传输速度与介电常数、传输损耗与介质损耗因数关系。

图4 基材介质特性和传输性能的关系

目前所知可适合作为高频印制板用基材有聚四氟乙烯（PTFE）、液晶聚合物（LCP）、改性聚苯醚树脂（M-PPE）、BT树脂（双马来酰亚胺三嗪树脂）、低介电聚酰亚胺树脂等。近来都围绕多种多样低电常数和低介质损耗因数的树脂开展研发。

作为印制板用基材不仅电气性特别重要，其加工性能，元器件安装性以及其物理性能也都很重要，需要综合平衡，这一点是必要的。

3.3 低介电常数（Dk）、低介质损耗因数（Df）基材的镀覆处理

高频用途的印制板大多采用PTFE覆铜板，以减成法形成电路。众所周知，PTFE表面难于直接进行镀覆，在进行孔金属化时，要想在具有疏水性的PTFE表面进行化学镀，首先必须对其表面进行改质处理以使其具有良好的润显性。现知的表面处理方法就是用金属钠药液处理。PTFE表面处理技术大都并非是一般的技术问题。日本株式会社润工开发出了商标为gjトfflェジチPEFE表面处理剂，它是利用脱氟导入亲水性官能基并使其表面粗化从而就可以进镀覆。近年来有的研究了利用各中气体等离子体在真空中进行实用化处理。近来正在进一步研究确认采用脱氟后使之形成氨基，并赋予亲水性作为氟树脂表面镀覆前处理的有效性问题。另外，目前还围绕低轮廓铜箔仍然能保持高粘结强度的覆铜板开展研究。

作为高频用途的挠性印制板基材液晶聚合物（LCP）也正在引起人们的注目。但直接在LCP表面进行化学镀形成导体则金属的沉积和附着性较差，化学镀前首先需要对其表面用氢氧钾水溶液或水合乙二胺水溶液等进行改性处理，近来还有采用等离子体处理和用紫外线照射其使其表面形成羧基官能团赋予亲水性后再进行化学镀的研究报告。

PPE树脂是低Dk、低Df、低水性热塑树脂，对其耐溶剂、耐热进行改良成为热固性的改型PPE树脂（mPPE），可作为印制板用CCL（挠性覆铜板）的树脂。金属化孔前首先要对孔进行除钻污处理后再化学镀铜，mPPE除钻污相较FR-4要困难一些，所以必须控制好处理参数。

BT树脂是1974年三菱瓦斯化学（株）开发出来的耐热聚合型热固树脂，它是由三嗪树脂和双马来酰亚胺树脂组成，过去主要是用于半导体封装。期望其能成为适合高频用途的低介质损耗树脂，并能适合采用现有的包括除钻污处理在内的常规金属化孔工艺。

显示与氟树脂有近似介质特性的树脂有烯烃类树脂、环烯类聚合物（COP，Cyclo-Olefin Polymer）。当初开发意图是作为光学用途塑料，由于其难于适应作为有回流焊要求的挠性板基材，而近年来开发出了改性耐热结晶性COP，但若采用常规的镀覆工艺直接在COP上化学镀是很难的，但通过对其表面实施紫外线照射，使其表面形成有羧基官能团等的改质层，就可能在其表面进行化学镀形成有良好附着性的镀膜。期望今后它可以作为高频天线、高频高速印制板用基材。

3.4 低导体损耗电路形成技术简介

由于传输信号有趋肤性，而且传输率越高，就越趋向在导体表面传输。导体表面的粗糙度与导体传输的损耗密切相关，导体表面越粗糙传输损耗就越多。在微带结构的场合下，易于信号在电路下部传输。因考虑导体与基材的黏结强度问题，导体表面有数微米凹凸的粗糙度，会因锚固作用增大导体与基材的黏结强度。观察铜箔粗糙轮廓转移至树脂面的痕迹，其凹凸程度与电路内侧粗糙形貌相一致。图5所示是采用减成法形成的电路与树脂面黏结的锚固作用的效果图。当电路表面微细凹凸时，电流将沿着凹凸部位流动。由于表面粗糙从而使其电阻增大造成损耗增大。图6所示是导体界面粗糙度与导体损耗的关系。理想的是如镜面那样平滑。然而平滑的导体表面其黏结力又是令人担心的问题。所以研究开发新的技术方法尤为重要。关东学院大学材料.表面工程学研究所研究了采用紫外线（UV）照射低Dk、低Df树脂材料的平滑表面进行制作电路的方法。如前述对COP表面处理。

图5 采用减成法形成的电路

图6 界面粗糙度与传输损耗的关系（微带电路）

工艺流程如图7所示。在大气条件下，用185 nm/254 nm的混合波长紫外线灯光对材料表面照射数分钟进行改质，得到厚度50～100 nm的官能基改质层。形成改质层后，采用常规的化学镀铜与电镀铜，再用减成法形成电路。图8所示是采用该工艺在平滑表面上形成的电路图形，其剥离强度达到8 N/cm。黏结机理如图9所示。改质层浸催化剂，浸入镀液沉积金属铜，铜面有纳米级的锚固效果。测试显示改质层对传输损耗没有影响，测试电路界面导电率结果如图10所示。图11是在平滑树脂表面单向化学镀电路图。

图7 UV改质面的镀覆处理

图8 COB平滑面上形成的电路

图9 平滑面上镀覆层紧密结合的机理

图10 COP平滑表面上形成电路的界面导电率

图11 绝缘树脂平滑表面上单向电镀的电路

在多层电路板内层电路（带状线）场合，为了提高导体与半固化树脂黏合强度，需要对铜箔表面进行氧化还原处理或微蚀处理，以形成粗化表面，目前也正在对相关的技术方法进行探讨，如在铜表面涂布打底涂膜。

3.5 应对未来超高频、高传输速度的镀覆技术

应对高频电路的形成除要求电路表面要平滑外，导体的高导电率也是很重要的。在树脂表面所形成镀覆层由于要作为信号通道的电路这就需其要有良好的导电率。我们测试了多种化学镀铜膜和溅射铜膜的导电率，测试结果显示溅射形成的铜膜导电率最优。我们分析认为这并非偶然的差别，可能是镀液中混入不纯物质或氢，从而影响了化学镀铜膜的导电率。研究提高化学镀铜膜的导电率依然是今后研发的课题之一。

无电解镀（又称化学镀、化学沉积、无电沉积）一般用钯Pd作催化剂，近来不断增多应用的半加成法(SAP）也存在Pd残渣的问题，期望能有替代方法。我们正在探讨用银钠米粒子的可行性，同时也在将价格比较便宜的铜作为催化剂的研究。由于铜催化剂容易去除无需担心残渣问题，从而也可以提高电路间的绝缘可靠性。现在正专心致力于量产技术的研究，降低生产成本也是十分重要的问题。在常规技术工艺中，采用感光法形成电路，由于其流程繁多，会对成本产生很大的影响。因而我们正在开发采用仅对形成电路处部位的树脂表面进行UV照射改质，化学沉铜时铜也就只在改质的部位沉积形成电路的技术。通常化学镀铜对铜的沉积也会向纵横两个方向沉积，但只要往镀液中添加特殊添加剂就可以抑制横向铜沉积，达到单向铜沉积目的。使用这一技术就有可能使全加成法形成电路不用再采用感光法成为可能。现在正围绕量产技术而努力。图11所示的是有选择地对电路形成处树脂表面进行UV照射，改质后在平滑树脂表面单向化学镀铜所形成的电路。

4 结束语

5G时还刚刚开始，就已着手下一代“Beyond 5G（6G）”的研发工作。未来更高频的传输是必然的趋势，这就要求印制板必须有更低传输损耗的电路，如此则要求所用基材必须有更低Dk、Df，低粗糙度和高导电率的电路、微孔金属化、电路表面化学镀Ni/Au等要达到理想的状态，有关的“化学镀”课题仍有不少。面对未来6G时代，期望包括镀覆表面处理技术、布线加工技术、设计技术等各专业部门能协同进行研发。本文译自：JPCA news No.638 2021.11

译者的话：5G时代的到来，人们对印制电路板的认识有了重大变化，充分认识到像CPCA王龙基名誉秘书长在2022第一期《印制电路信息》杂志刊首语中所写的“印制电路板（PCB）是电子产品的之母”、是“芯片缩小的PCB；PCB是放大的芯片”。无论多么高级的计算机没有软件系统都是无用的，只能称其是一个“盒子”，同样无论多少高性能的VLSI（甚大规模集成电路）、芯片和电子元件都集中放在一起，也不会发挥任何功能。只有将其安装在印制电路板应在的位置上，才能发挥其功能作用，完成电子电路所确定的功能动作。有人将元器件、集成电路与印制电路板的关系称作“毛与皮的关系”，它们必须生长在（安装）印制电路板这“张皮”上才能发挥其有效功能。皮之不存，毛将焉附。虽如此说，但仍有个别地方政府相关部门并不待见印制电路板行业及与之配套的上游企业，如要求印制电路板用的焊料油墨必须由溶剂型改为水溶性油墨，真不知这些官员是如拍脑袋想出来的。衷心希望这些人少些应酬，多走走企业，多听听行业协会的意见，不在闹出把印制电路板归于印刷行业，必须取得印刷许可证才能生产的笑话。

5G 时代的到来，6G时代也正积极向前推进，对我们印制电路行业（现已改为电子电路行业）来说，还有不少技术（其中包括镀覆技术）问题仍需下功夫去开发，任重道远，仍须努力！