劉建廣（山東金寶電子股份有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400）

汽車(chē)電子的發(fā)展與電子銅箔的應(yīng)對(duì)

劉建廣
（山東金寶電子股份有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400）

文章介紹了汽車(chē)電子的分類(lèi)與發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)汽車(chē)用電路板的要求，闡述了相關(guān)銅箔的應(yīng)對(duì)方案以及銅箔特性。未來(lái)，電子銅箔發(fā)展高峰，繼智能手機(jī)之后，將會(huì)由汽車(chē)電子強(qiáng)力拉動(dòng)。

汽車(chē)電子；銅箔；應(yīng)對(duì)

1　汽車(chē)電子概況

汽車(chē)工業(yè)是現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)新最活躍的領(lǐng)域之一，大批量的電子控制產(chǎn)品及系統(tǒng)成為高端汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置，并向低端車(chē)延伸。汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)將成為我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)新的重要增長(zhǎng)點(diǎn)之一。

圖1　全球汽車(chē)電子市場(chǎng)增長(zhǎng)趨勢(shì)

1.1汽車(chē)電子類(lèi)別

按照對(duì)汽車(chē)性能作用的影響劃分，可以把汽車(chē)電子產(chǎn)品歸納為兩類(lèi)，一是汽車(chē)電子控制裝置：它們和車(chē)上的機(jī)械系統(tǒng)配合使用，對(duì)汽車(chē)的正常行駛和安全舒適起控制作用，主要包括傳動(dòng)系控制、車(chē)身電子控制、行駛系控制、安全控制系統(tǒng)。例如電子燃油噴射、制動(dòng)防抱死控制、防滑控制、牽引力控制、電子控制懸架、電控自動(dòng)變速器、電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向、巡航等。二是車(chē)載汽車(chē)電子裝置，它們?cè)谄?chē)環(huán)境中能夠獨(dú)立使用，和汽車(chē)本身的性能并無(wú)直接關(guān)系。主要包括汽車(chē)信息系統(tǒng)、音響導(dǎo)航及電視娛樂(lè)系統(tǒng)、車(chē)載通信及網(wǎng)絡(luò)、汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

圖2　汽車(chē)電子分布圖

1.2汽車(chē)電子的發(fā)展趨勢(shì)和對(duì)PCB的要求

汽車(chē)電子的發(fā)展趨勢(shì)，可以描述為橫向和縱向兩個(gè)方向。橫向上向集中控制網(wǎng)絡(luò)化、部件機(jī)電一體化、動(dòng)力能源高容量化等方向發(fā)展，縱向則圍繞環(huán)保節(jié)能性、安全舒適性、智能通訊性等三個(gè)方面發(fā)展。橫向縱向相互影響，相輔相成。

1.2.1汽車(chē)電子向集中控制網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

汽車(chē)技術(shù)飛速發(fā)展，功能越來(lái)越多，各種不同的功能需要眾多獨(dú)立的控制單元（ECU）來(lái)實(shí)現(xiàn)（豪車(chē)裝有多達(dá)80個(gè)ECU）。為了減少連接導(dǎo)線(xiàn)的數(shù)量和重量，網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)技術(shù)在汽車(chē)應(yīng)用有了很大的發(fā)展，它將各個(gè)ECU連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)發(fā)送和接收信息，ECU除了獨(dú)立完成各自的控制功能外，還可以為其它控制裝置提供數(shù)據(jù)服務(wù)。總線(xiàn)技術(shù)對(duì)信號(hào)的高速傳輸和抗干擾提出了高要求。

1.2.2汽車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)將被進(jìn)一步“機(jī)電一體化”

各種操縱系統(tǒng)向電子化和電動(dòng)化方向發(fā)展，取代相當(dāng)一部分機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“線(xiàn)操控”、“電操縱”或者類(lèi)似“模擬操縱”。例如“導(dǎo)線(xiàn)制動(dòng)”、“電子轉(zhuǎn)向”、“電子油門(mén)”等。FPC在機(jī)電一體化裝置的輕量化和可靠性中發(fā)揮著重要作用。

1.2.3汽車(chē)供電系統(tǒng)向高電壓大容量化發(fā)展

汽車(chē)電子裝置越來(lái)越多，現(xiàn)有的12伏電源已滿(mǎn)足不了汽車(chē)上電氣系統(tǒng)的用電需要。今后將會(huì)采用42伏供電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)最大輸出功率將會(huì)由目前的1千瓦提高到8千瓦左右。隨之而來(lái)，一些大功率的電力電子裝置，需要通過(guò)大電流的PCB和導(dǎo)線(xiàn)來(lái)支撐，陶瓷基材在這方面性能表現(xiàn)突出。

1.2.4節(jié)能與環(huán)保是汽車(chē)最主要的發(fā)展趨勢(shì)

電動(dòng)汽車(chē)或混合動(dòng)力汽車(chē)（HEVS）是未來(lái)重要發(fā)展方向?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)系統(tǒng)可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)30%～40%，降低碳排放達(dá)60%。純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展將采用容量更大充電更快的電池組，而這對(duì)鋰電池銅箔的厚度提出了更薄的要求，6 μm鋰電銅箔將會(huì)大量應(yīng)用。

1.2.5安全與舒適是汽車(chē)持續(xù)追求的目標(biāo)

市場(chǎng)對(duì)能夠保證安全駕駛的技術(shù)和產(chǎn)品有著龐大的需求。當(dāng)前汽車(chē)在被動(dòng)安全技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，最新的發(fā)展方向是主動(dòng)安全性，例如汽車(chē)?yán)走_(dá)防撞系統(tǒng)。

1.2.6汽車(chē)電子技術(shù)的應(yīng)用將使汽車(chē)更加智能化

信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，汽車(chē)不僅僅是一種代步工具，更是生活及工作范圍的一種延伸。汽車(chē)已經(jīng)步入多媒體通訊時(shí)代。車(chē)載計(jì)算機(jī)多媒體系統(tǒng)，具有信息處理、通訊、導(dǎo)航、防盜、語(yǔ)言識(shí)別、圖像顯示和娛樂(lè)等各種功能，自動(dòng)導(dǎo)航和輔助駕駛系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)在系統(tǒng)中。智能手機(jī)成熟的軟硬件設(shè)計(jì)制造技術(shù)，以及成熟的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，會(huì)全部移植到車(chē)載智能系統(tǒng)中來(lái)。

2　汽車(chē)電子工作條件、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)PCB的要求

汽車(chē)由多達(dá)幾千個(gè)電子零部件組成，因此這些電子零部件產(chǎn)品的可靠性顯得十分重要，它們直接決定了整車(chē)的安全性及運(yùn)行可靠性。見(jiàn)表1汽車(chē)電子的嚴(yán)酷的工作環(huán)境條件。

表1　汽車(chē)電子的工作環(huán)境條件

針對(duì)汽車(chē)電子產(chǎn)品有很多環(huán)境可靠性測(cè)試方面的要求及標(biāo)準(zhǔn)，常用的標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO16750車(chē)載電設(shè)備系列、EIA-364系列標(biāo)準(zhǔn)連接器等。不同的測(cè)試環(huán)境條件會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生不同的影響以及產(chǎn)生不同的故障，比如：高溫測(cè)試條件下產(chǎn)品的器件會(huì)發(fā)生老化、氣化、龜裂、軟化、溶融、膨脹蒸發(fā)等，對(duì)應(yīng)的汽車(chē)將會(huì)出現(xiàn)電路系統(tǒng)絕緣不良、機(jī)械的故障增加。低溫測(cè)試條件下產(chǎn)品的器件會(huì)發(fā)生脆化、結(jié)冰、收縮凝固，機(jī)械強(qiáng)度降低等，對(duì)應(yīng)的汽車(chē)將會(huì)出現(xiàn)電路系統(tǒng)絕緣不良、龜裂、密封故障等。因此，汽車(chē)電子必須經(jīng)過(guò)大量的可靠性測(cè)試。

汽車(chē)電子PCB多采用特殊性能覆銅板材：高Tg，耐CAF，厚銅箔，陶瓷基板等。其可靠性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是要確保在壽命周期內(nèi)保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)；二是要確保在使用過(guò)程中經(jīng)受環(huán)境變化保持功能完好。PCB必須滿(mǎn)足作為交通工具所承受的各種工況：溫度、氣候、電壓波動(dòng)、震動(dòng)、電磁干擾等。部分關(guān)鍵器件要求高低溫循環(huán)500次～2000次（-40 ℃ ～ -125 ℃），42伏高壓測(cè)試（常規(guī)測(cè)試12伏）。

3　汽車(chē)電子PCB用銅箔的應(yīng)對(duì)

汽車(chē)電子中用到的PCB按照基材分有兩大類(lèi)：陶瓷基PCB和樹(shù)脂基PCB。陶瓷基PCB最大的特點(diǎn)是耐熱性高、尺寸穩(wěn)定性佳，可直接用于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。按照應(yīng)用場(chǎng)合不同，汽車(chē)電子PCB大致可以分為：?jiǎn)坞p面PCB、單雙面FPCB、多層PCB、HDI板、剛撓結(jié)合板、金屬基PCB、埋置元件PCB等。各種PCB的用量比例見(jiàn)表3。

表3的PCB中，其銅箔的應(yīng)用大致可以分為五類(lèi)。由于IC載板用量較小，汽車(chē)電池則屬于另外一個(gè)領(lǐng)域，因此本文只論述四種汽車(chē)PCB用銅箔的特性以及制造關(guān)注點(diǎn)。

（1）剛性PCB：4 L、6 L、2 L、8 L、HDI、銀漿貫孔等類(lèi)型，一般采用HTE銅箔。對(duì)于HDI外層用途，HTE銅箔應(yīng)采用較高耐熱產(chǎn)品。

（2）撓性PCB：FPCB中一般采用LP型、VLP型或者RTF型銅箔，近年來(lái)RTF型銅箔的發(fā)展給PCB行業(yè)帶來(lái)很多便利，應(yīng)用逐漸增多。

（3）陶瓷基PCB：由于陶瓷基板制造工藝的不同，要求具有很大的載流能力，經(jīng)常會(huì)采用厚銅箔、超厚銅箔或者是銅板。

（4）散熱基PCB：根據(jù)其應(yīng)用條件的不同，一部分較低產(chǎn)品可以采用HTE銅箔，一部分導(dǎo)熱性較高產(chǎn)品需要使用VLP型甚至是FP型銅箔。

（5）IC載板：由于其線(xiàn)路的精細(xì)化，主要應(yīng)用UTF型超薄銅箔，甚至是載體銅箔。

表2　汽車(chē)電子相關(guān)可靠性測(cè)試項(xiàng)目

表3　全球汽車(chē)PCB產(chǎn)品比重（2012年數(shù)據(jù)）

3.1剛性PCB用銅箔

對(duì)汽車(chē)電路板中比例最大的多層板、HDI、銀漿貫孔板，用量最多的是HTE銅箔。近年來(lái)汽車(chē)電子的發(fā)展，耐環(huán)境性越來(lái)越嚴(yán)格，PCB的發(fā)展必須跟隨上終端產(chǎn)品的提高，表現(xiàn)為四個(gè)方向：（1）高Tg基材應(yīng)用逐漸增多；（2）環(huán)保要求提高，板材的無(wú)鹵化漸成趨勢(shì)；（3）高頻高速的要求提高；（4）無(wú)鉛制程的推廣，對(duì)基材的耐熱性、尺寸穩(wěn)定性，以及耐CAF性直接提出挑戰(zhàn)。IPC-4101B/99針對(duì)無(wú)鉛FR4增加的四項(xiàng)要求：要求Tg≥150 ℃，Td≥325 ℃，Z-CTE≤3.5%（50 ℃ ～ 260 ℃），T288≥5 min，即是如此。

為了滿(mǎn)足上述要求，剛性板用銅箔應(yīng)著重從以下幾點(diǎn)入手：

3.1.1 提高在高Tg、無(wú)鹵素基材上的抗剝強(qiáng)度

汽車(chē)電子的一個(gè)明顯特點(diǎn)是容易吸濕受熱，而高Tg產(chǎn)品性能在吸濕后受熱下明顯優(yōu)于普通基材。一般基材的Tg為130 ℃以上，中等Tg為150 ℃以上，高Tg 為170 ℃以上?；宓腡g提高，PCB的耐熱性、耐潮濕性、耐化學(xué)性、耐穩(wěn)定性等都會(huì)提高和改善。

當(dāng)前基材無(wú)鹵化的主流技術(shù)：一是以含P環(huán)氧樹(shù)脂替代溴化環(huán)氧樹(shù)脂；二是以含N酚醛樹(shù)脂取代雙氰胺做固化劑；三是添加無(wú)機(jī)阻燃劑。

上述的高Tg樹(shù)脂體系與無(wú)鹵化樹(shù)脂體系對(duì)于銅箔而言，表現(xiàn)的一個(gè)主要特點(diǎn)是抗剝強(qiáng)度下降，因此必須改善，見(jiàn)表4。

表4　兩種處理銅箔在不同基材上的抗剝強(qiáng)度

圖3　新型的毛面粗化處理技術(shù)

應(yīng)對(duì)此問(wèn)題的措施：（1）通過(guò)加大粗化電流提高毛面的粗糙度來(lái)提高抗剝強(qiáng)度，效果當(dāng)然明顯，然而隨著線(xiàn)路精細(xì)化程度的提高，增大粗糙度的做法并不可取。這可能會(huì)引起線(xiàn)路內(nèi)短或者基材的耐電壓擊穿性能下降；（2）采用新的瘤化方法，將銅箔結(jié)瘤向山谷底部生長(zhǎng)，以此來(lái)增大毛面的比表面積，提高與樹(shù)脂的結(jié)合力。這是一種比較可選的方法，既保持了較低的M面粗糙度，又具有良好的粘結(jié)強(qiáng)度，見(jiàn)圖3；（3）研究采用新型的。

硅烷偶聯(lián)劑。高Tg體系與無(wú)鹵化體系雖然其主體樹(shù)脂仍然為環(huán)氧樹(shù)脂，然而其固化體系的轉(zhuǎn)變（常見(jiàn)以酚醛樹(shù)脂作為固化劑）以及大量無(wú)機(jī)填料（例如二氧化硅）的加入，使得樹(shù)脂與銅箔的橋接性能大為改變，傳統(tǒng)的環(huán)氧基硅烷偶聯(lián)劑已經(jīng)不能完全適應(yīng)。采用新型的硅烷偶聯(lián)劑，對(duì)于提高抗剝強(qiáng)度是一條十分有效的途徑。在硅烷偶聯(lián)劑分子中，既有親有機(jī)材料的非水解基團(tuán)，又有親無(wú)機(jī)材料的水解基團(tuán)，見(jiàn)圖4。水解基團(tuán)包括-OR、-CL、-OsiM3，-Oac等，它們與硅原子直接相連，可水解成硅羥基從而與金屬表。

圖4　硅烷偶聯(lián)劑的橋接示意圖

面的氧化物或羥基相結(jié)合。非水解基團(tuán)包括鏈烯基，環(huán)氧基，胺基，巰基，羥基等，它們通常通過(guò)若干個(gè)碳原子與硅相連，只有當(dāng)有機(jī)基團(tuán)能與相應(yīng)的有機(jī)樹(shù)脂反應(yīng)時(shí)，才能提高復(fù)合材料的性能。由此可以看出，提高高Tg體系與無(wú)鹵化樹(shù)脂體系剝離強(qiáng)度最好的方法是采用既能與環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合又能與酚醛樹(shù)脂相結(jié)合的硅烷偶聯(lián)劑。表4中的特殊處理銅箔就是采用了新型的復(fù)合硅烷偶聯(lián)劑。

3.1.2降低銅箔的毛面粗糙度，減少趨膚效應(yīng)，應(yīng)對(duì)高頻高速下的信號(hào)傳輸

汽車(chē)電子的發(fā)展與通訊系統(tǒng)一樣，3G、4G通訊技術(shù)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等終端產(chǎn)品要求基材信號(hào)傳輸速度更快、傳輸損失更小。除了通訊系統(tǒng)之外，汽車(chē)本身高速化產(chǎn)品需求也在增多，比較典型的如汽車(chē)防撞雷達(dá)系統(tǒng)?；诔瑢拵Ъ夹g(shù)的汽車(chē)?yán)走_(dá)防撞系統(tǒng)，它通過(guò)發(fā)射GHz量級(jí)超寬帶（寬度頻率在3.1 G ～ 10.6 GHz之間）信號(hào)探測(cè)目標(biāo)，用雷達(dá)原理測(cè)距測(cè)速，通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)的回波來(lái)判斷目標(biāo)的存在。及早發(fā)現(xiàn)前方潛在危險(xiǎn)的目標(biāo)。

在高頻化的系統(tǒng)里面，PCB部分要求基材絕緣層需要更低的介電常數(shù)（Dk）和更低的介電損耗角正切（Df），以及對(duì)導(dǎo)電層（銅箔）需要具備更低輪廓度，以縮短輸送距離或者減少發(fā)射功率。信號(hào)的傳輸損耗（介質(zhì)損耗與導(dǎo)體損耗）隨頻率的增加非常明顯，見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出頻率從50 MHz開(kāi)始，導(dǎo)體損耗上升明顯，這主要由于“趨膚效應(yīng)”所致。隨著頻率的增加，“趨膚效應(yīng)”明顯，電流只集中在導(dǎo)體的表面一層很薄的“皮膚”上，頻率越高皮膚越薄。作為基板導(dǎo)電層重要部分，銅箔表面粗糙度對(duì)信號(hào)傳送損失的影響十分重要。不同表面粗糙度銅箔制出的PCB，它在高頻下的信號(hào)傳送損失有很大差異。為了應(yīng)對(duì)高頻電路的信號(hào)傳送損失，需要采用VLP銅箔、RTF銅箔甚至是無(wú)輪廓的FP銅箔。其中，RTF型銅箔由于其特殊的處理方法，以及在高頻板上使用的諸多優(yōu)點(diǎn)，獲得了大量應(yīng)用。

RTF銅箔由于其反向處理的特性使得其與基材結(jié)合面的粗糙度大為減少，接近VLP型銅箔，但是抗剝強(qiáng)度等性能并沒(méi)有降低，見(jiàn)表5。

圖5　信號(hào)傳輸損耗與頻率的曲線(xiàn)圖

表5　RTF銅箔特性表

3.1.3改善毛面阻擋層，使用多元合金化鍍層，提高銅箔的耐熱性

汽車(chē)電子中，以SMT、CMT為代表的高密度安裝技術(shù)使得PCB尺寸越來(lái)越小。然而制程中的多次貼裝對(duì)外層銅箔與基材之間的附著力沖擊最大，往往造成內(nèi)層線(xiàn)路沒(méi)有問(wèn)題，而外層線(xiàn)路出現(xiàn)起泡報(bào)廢。另外，在無(wú)鉛焊料的高溫沖擊下，板材的耐CAF性能顯得更加突出。高溫下免洗助焊劑活性會(huì)過(guò)早耗盡，而只能采用非揮發(fā)性的水溶助焊劑，這易使基材發(fā)生CAF現(xiàn)象。從遷移離子的來(lái)源來(lái)看，主要有銅離子、鹵素陰離子、銨離子這幾種。其中鹵素離子不僅自身容易發(fā)生遷移，還可以與銅離子發(fā)生協(xié)同作用造成遷移。改善此問(wèn)題的措施：一是采用無(wú)鹵素樹(shù)脂，二是管控銅離子的來(lái)源。對(duì)于化學(xué)鍍過(guò)程中造成的CAF可以從改善樹(shù)脂入手來(lái)改善鉆孔性，我們研究的是要解決銅箔自身產(chǎn)生的銅離子問(wèn)題。應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題最好的方法是采用多元合金化鍍層作為阻擋層，來(lái)提高耐熱性以及耐CAF。

通常狀況，過(guò)渡層、耐高溫層、防氧化膜是分次鍍一層很?。s50納米）的銅-砷合金，或者是鋅鎳合金、鈷鉬合金、銅-氮合金、銅-銻合金，或鍍鎳、鍍鈷等超微細(xì)的結(jié)晶，再加鋅鉻酸鹽防銹。幾種鹽膜厚度比例，既會(huì)影響銅箔的耐熱性，又會(huì)影響銅箔的耐化學(xué)藥水性。鍍層中的鎳、鈷含量高，其耐熱性與耐CAF性會(huì)提高。過(guò)渡層與耐高溫層的厚度比值越大，耐腐蝕性越強(qiáng)，相反則越差，每層沉積量控制在100×10-6以下最好。

圖6　普通HTE型銅箔與RTF型銅箔結(jié)構(gòu)圖

3.1.4提高銅箔的高溫延伸率，適應(yīng)基材的CTE

多層PCB以及HDI制程組成的復(fù)合物中，各種材料的CTE相差較大：XY方向因受玻纖布的牽制，CTE約在（12～15）×10-6/℃左右，但是Z方向在無(wú)拘束下將擴(kuò)大為（80～90）×10-6/℃，而銅的CTE在16.8× 10-6/℃左右。這是造成PCB制程爆板分層的一個(gè)經(jīng)常性因素。銅箔延伸率改善的作用旨在同步XY方向的CTE，以減少多次層壓或者SMT造成的內(nèi)部線(xiàn)路斷裂。圖7是三井橡樹(shù)高延伸率銅箔特性與形貌。

圖7　三井橡樹(shù)高延伸率銅箔特性與形貌

3.2撓性PCB用銅箔

隨著汽車(chē)電子集成化的發(fā)展，F(xiàn)PCB在汽車(chē)上的應(yīng)用越來(lái)越多，由于其短小輕薄的特點(diǎn)，使得汽車(chē)的功能性越來(lái)越強(qiáng)，且重量并未增加。

汽車(chē)FPCB的特點(diǎn)，既有高速高頻信號(hào)傳輸要求，又有較高的抗剝強(qiáng)度要求。既有無(wú)鹵化環(huán)保要求，又有嚴(yán)格的耐熱耐濕等耐候性要求。作為銅箔，其對(duì)應(yīng)的方向主要有兩點(diǎn)：一是降低銅箔的毛面粗糙度，二是提高銅箔的抗拉強(qiáng)度，提高耐彎折性。

3.2.1降低銅箔的毛面粗糙度，適應(yīng)高速高頻要求

其原理與3.1.2相同。由于趨膚效應(yīng)的原因，不同粗糙度的銅箔，對(duì)信號(hào)損耗影響較大，見(jiàn)圖8。

因此，在FPCB中VLP銅箔（及RTF銅箔）獲得了大量應(yīng)用。表6。

3.2.2提高銅箔的抗拉強(qiáng)度，提高耐彎折性

汽車(chē)FPCB的一個(gè)主要特點(diǎn)是安裝的彎折性，從圖9來(lái)看，汽車(chē)FPCB對(duì)基材的耐彎曲有著更為嚴(yán)格的要求，諸如汽車(chē)齒輪向控制器，它的面積比較大，接點(diǎn)比較多，其可靠性涉及人身安全，絕不能出現(xiàn)駕駛過(guò)程中線(xiàn)路斷裂、控制失靈等現(xiàn)象。

圖8　常規(guī)銅箔與VLP銅箔傳輸損耗的差異

圖9　FPCB在汽車(chē)內(nèi)的安裝

表6　VLP型銅箔產(chǎn)品特性表

銅箔對(duì)于FPCB耐彎折性的改善，主要方向就是要提高銅箔的抗拉強(qiáng)度和延伸率，但是這兩個(gè)似乎是一對(duì)矛盾。在這方面，添加劑在銅箔生產(chǎn)中起著重要的作用。用于改善銅箔毛面峰谷形狀的水解動(dòng)物蛋白粉（明膠）和PEG等有機(jī)添加劑，加大了陰極極化和抑制金屬異常生長(zhǎng)，以提高銅箔的彈性、強(qiáng)度、硬度、延伸率和平滑感。表7銅箔即是這種方法生產(chǎn)。

3.3陶瓷基PCB

陶瓷基板由于其自身所具有各種優(yōu)秀的性能（優(yōu)良的電絕緣性、高導(dǎo)熱性、可蝕刻性、軟釬焊性和大的載流能力），已成為大功率電力電子電路互連技術(shù)的基礎(chǔ)材料。新能源汽車(chē)中許多場(chǎng)合都要用到氧化鋁陶瓷基板或者氮化鋁氮化硅基板。陶瓷基板導(dǎo)熱性很高，熱導(dǎo)率一般可達(dá)到（35 ～ 170）W/m·K，最適合大電流通過(guò)以及功率器件的散熱。

陶瓷基板中銅與陶瓷的結(jié)合并非是層壓，而是采用高溫鍵合技術(shù)（DCB），DCB是銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁或氮化鋁陶瓷基片表面（單面或雙面）上的特殊工藝方法。

鑒于陶瓷基板的特性，其制造一般輔以使用厚銅箔或者是超厚銅箔。優(yōu)點(diǎn)明顯：（1）良好的熱導(dǎo)率使大功率芯片的密集安裝成為可能；（2）厚銅箔替代了原來(lái)的電纜配線(xiàn)、金屬板排條等輸電形式，提高了生產(chǎn)效率，提高了配線(xiàn)的設(shè)計(jì)自由度，實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品的小型化；（3）由于較厚的銅層能承受更高的電流負(fù)載（在相同截面下僅需要普通PCB板12%的導(dǎo)體寬度），因此在單位體積內(nèi)能傳輸更大的功率，提高了系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性。

對(duì)于厚銅箔與超厚銅箔（通常將公稱(chēng)厚度為105 μm及其以上的經(jīng)表面處理電解銅箔或壓延銅箔統(tǒng)稱(chēng)為厚銅箔，將厚度300 μm及其以上的銅箔稱(chēng)為超厚銅箔）。由于陶瓷基板其工藝的特殊性，它需要注意兩個(gè)問(wèn)題。一是表面粗糙度，二是致密度。

3.3.1厚銅箔表面粗糙度不能太高

厚銅箔的表面粗糙度過(guò)大或毛面存在較高凸起點(diǎn)，會(huì)造成局部介質(zhì)層厚度減少，使個(gè)別點(diǎn)的導(dǎo)電間距縮短，基板的絕緣可靠性下降，陶瓷基板亦是如此。DCB制程是在高溫及一定含氧量氣氛中，金屬銅表面首先氧化形成一薄層Cu2O，當(dāng)溫度高于低共熔點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)Cu-Cu2O共晶液相，其中的Cu2O與Al2O3陶瓷部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成CuAlO2，冷卻后通過(guò)Cu-Al-O化學(xué)鍵結(jié)合，而另一側(cè)，Cu2O與Cu金屬部分則是靠Cu-O粒子鍵以物理融合的方式緊密聯(lián)系起來(lái)的。在這一過(guò)程中，銅牙的高度并未被削減。圖11為國(guó)內(nèi)公司生產(chǎn)的411.6 μm（12 oz）電解銅箔截面圖（Ry值僅為7.5 μm）。

表7　12μm VLP原箔的主要性能

圖10　用高溫鍵合技術(shù)制造陶瓷基板的工藝過(guò)程

3.3.2厚銅箔需要有較高的致密性以利導(dǎo)電與散熱

單質(zhì)金屬導(dǎo)熱系數(shù)與其結(jié)晶形態(tài)以及結(jié)晶形態(tài)引發(fā)的密度變化相關(guān)，即：就單質(zhì)金屬而言，其導(dǎo)熱系數(shù)與其密度成正比。

陶瓷基板中，超厚銅箔導(dǎo)熱系數(shù)比較重要。原銅的致密性對(duì)于壓延銅箔沒(méi)有問(wèn)題，它制造過(guò)程中的反復(fù)軋制使致密度大大提高。就電解箔銅箔而言，不同的生箔工藝其致密性卻不一致，常規(guī)電解銅箔密度范圍大致在7.0 g/cm3～ 8.0 g/cm3，難以達(dá)到銅的理論密度8.90 g/cm3。必須采用特殊的混合添加劑才能完成，一般采用含硫有機(jī)物與胺類(lèi)化合物等，其特點(diǎn)在于：添加劑溶于水中引導(dǎo)銅結(jié)晶在橫向生長(zhǎng)更均勻，其電沉積結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)HTE銅箔的柱狀結(jié)晶向?qū)訝罱Y(jié)晶類(lèi)型轉(zhuǎn)變，層狀晶體顆粒較柱狀更細(xì)膩，提高了致密度（實(shí)際密度可以達(dá)到8.84 g/cm3、8.81 g/cm3，已接近銅的理論密度），使輪廓度更低（Rz≤5 μm），也提高了銅箔的導(dǎo)熱性。表8國(guó)內(nèi)外兩種超厚電解銅箔密度測(cè)試，實(shí)際測(cè)量工具千分尺。

圖11　國(guó)內(nèi)公司生產(chǎn)的12oz超厚銅箔截面圖

3.4散熱基板PCB用銅箔

汽車(chē)電子中散熱基板PCB應(yīng)用的地方主要有電子調(diào)節(jié)器、點(diǎn)火器、電源控制器、LED照明等，其中最廣泛的是LED照明系統(tǒng)。從現(xiàn)有的各類(lèi)不同結(jié)構(gòu)散熱基板綜合性能的比較，金屬基板以其優(yōu)良的性能和逐漸降低的價(jià)格，在眾多LED散熱基板中顯示出很強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力，它可能成為未來(lái)大功率LED基板發(fā)展主流品種。

金屬基板的結(jié)構(gòu)主要有三部分組成：線(xiàn)路層、導(dǎo)熱絕緣層、金屬散熱層。因?yàn)殂~層與金屬基層都是熱的良導(dǎo)體，從散熱角度，絕緣層是金屬基板最核心的技術(shù)，它要起到粘接、絕緣和導(dǎo)熱三大功能。絕緣層一般是由特種陶瓷填充聚合物構(gòu)成，熱阻小，粘彈性能優(yōu)良。絕緣層導(dǎo)熱性能越好，越有利于器件運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散。與陶瓷基板一樣，電路層要求具有大的載流能力，其銅箔厚度一般在35 μm ～ 280 μm。金屬基板一般采用HTE銅箔即可，由于其與金屬基板的良好散熱性，與傳統(tǒng)FR4相比，采用相同的厚度，相同的線(xiàn)寬，金屬基板能夠承載更高的電流。高端的則采用VLP銅箔甚至FP銅箔。

圖12　金屬基板在LED中應(yīng)用

金屬基板用銅箔的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于銅箔的粗糙度。根據(jù)圖12的結(jié)構(gòu)，為了降低絕緣層的熱阻，基板廠(chǎng)家都會(huì)在絕緣層的厚度和導(dǎo)熱性下功夫，較薄的絕緣層使得線(xiàn)路與金屬基之間的擊穿距離很近，因此要求銅箔具有較低的表面粗糙度。新型的特殊處理銅箔，具有極低的表面粗糙度，只需1/3的粗糙度，卻能實(shí)現(xiàn)與FR4用銅箔同樣的抗剝強(qiáng)度。見(jiàn)圖13。

日礦曾經(jīng)展示過(guò)：Catalyst Bond Process處理方式的銅箔，與上圖接著力類(lèi)似。這種處理方法中加入的添加劑為Pt催化劑，利用hfac配體與銅箔的較強(qiáng)的結(jié)合力來(lái)完成Pt（hfac）2與Cu的氧化還原反應(yīng)，從而改善銅箔毛面的性能，達(dá)到提高銅箔與絕緣層結(jié)合力的目的。見(jiàn)圖14。

表8　國(guó)內(nèi)外兩種超厚電解銅箔密度測(cè)試表

圖13　超低粗面銅箔與普通銅箔接著力比較

圖14　Pt（hfac）2在銅箔表面的處理原理

3　結(jié)語(yǔ)

中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)促成了汽車(chē)電子市場(chǎng)規(guī)模的成倍增長(zhǎng)，當(dāng)前與汽車(chē)行駛安全和控制相關(guān)性較大的電子產(chǎn)品還是主要掌握在德國(guó)和日本企業(yè)中。而車(chē)載娛樂(lè)、導(dǎo)航、信息系統(tǒng)，是中國(guó)汽車(chē)電子市場(chǎng)的主要方向。

在2015年3月CPCA論壇上Prismark報(bào)告了汽車(chē)電子的增長(zhǎng)率：2012/2013為4.0%，2013/2014為7.9%。在PCB領(lǐng)域，2014年汽車(chē)電子增長(zhǎng)最快，為4.8%?？梢灶A(yù)見(jiàn)：未來(lái)PCB產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)點(diǎn)將會(huì)由汽車(chē)電子拉動(dòng)。隨之，電子銅箔發(fā)展高峰，繼智能手機(jī)之后，也將會(huì)由汽車(chē)電子強(qiáng)力拉動(dòng)。

［1］王偉泰. 汽車(chē)電子的行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)電路板的要求（1）［J］. 印制電路信息， 2011，2.

［2］龔永林.汽車(chē)用印制電路板特性［J］. 印制電路信息， 2015，4.

［3］閆成福，聶建紅. 現(xiàn)代汽車(chē)電子控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］. 汽車(chē)維修與保養(yǎng)， 2004，9.

［4］劉浩. 淺談汽車(chē)用PCB環(huán)境與可靠性試驗(yàn)［J］. 印制電路信息， 2011，3.

［5］劉建廣. 撓性板用電解銅箔的應(yīng)對(duì)與研究［J］. 電子銅箔資訊， 2013，4.

［6］祝大同. 高速化覆銅板用銅箔的開(kāi)發(fā)進(jìn)展［J］. 電子銅箔資訊， 2014，2.

［7］劉建廣. 電解銅箔與壓延銅箔的關(guān)鍵技術(shù)與差異［J］. 印制電路信息， 2015，2.

［8］祝大同.高頻電路PCB用銅箔的產(chǎn)品與技術(shù)發(fā)展.第四屆中國(guó)電子銅箔技術(shù)市場(chǎng)研討會(huì)報(bào)告.

［9］蔣衛(wèi)東. 覆銅板用厚銅箔產(chǎn)品的性能及其應(yīng)用［J］.印制電路信息， 2013，2.

［10］梁志立. 國(guó)內(nèi)外PCB/FPC行業(yè)回顧與展望. 第二屆中國(guó)FCCL企業(yè)聯(lián)誼會(huì)報(bào)告， 2015，5.

［11］HLPLC Foil Ultra-low profile copper foil，日礦資源網(wǎng)站.

［12］山東金寶電子股份有限公司產(chǎn)品說(shuō)明書(shū).

劉建廣，副總工程師，長(zhǎng)期從事銅箔工藝研究、設(shè)備設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

The countermeasures for the development of automotive electronics and electronic copper foil

LIU Jian-guang

This paper introduces the classification and development trend of automotive electronics in view of the automotive circuit board， by expounding the relevant plan of copper foil and copper foil characteristics. In the future，after the Smartphone， the electronic copper foil development peak will be strong pulled by the automotive electronics.

Automotive Electronics； Copper Foil； Countermeasures

TN41

A

1009-0096（2015）08-0020-09