范 紅　王紅飛　趙亮兵　陳 蓓（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）（深圳市興森快捷電路科技股份有限公司，廣東 深圳 518028）

低輪廓銅箔在高頻材料中應(yīng)用的研究

范 紅王紅飛趙亮兵陳 蓓
（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）
（深圳市興森快捷電路科技股份有限公司，廣東 深圳 518028）

銅箔作為線路板中電子與信號傳導(dǎo)通道的載體，是PCB制造中重要原料。隨高頻、高速PCB發(fā)展，低粗糙度銅箔應(yīng)用越發(fā)廣泛。本文主要研究三種不同粗糙度銅箔對PCB傳輸線直流電阻和高頻材料的介電參數(shù)的影響，以及研究低輪廓銅箔與高頻樹脂體系材料結(jié)合的抗剝離強度。具體比較聚苯醛復(fù)合樹脂、改性環(huán)氧樹脂板材與STD、RTF、VLP銅箔的剝離強度，以及銅箔類型對線路的直流電阻以及材料介電常數(shù)、損耗的影響。

低輪廓銅箔；粗糙度；電阻；介電常數(shù)；損耗

1　前言

銅作為一種具有高電導(dǎo)率、成本適中、可加工性優(yōu)越的導(dǎo)體材料，在PCB以及整個電子領(lǐng)域的導(dǎo)電材料中占主導(dǎo)位置，在覆銅板上和壓合外層上都會使用。從銅箔制作角度進行分類，用于PCB的銅箔包括壓延銅箔和電解銅箔兩大類。兩類銅箔原銅箔生產(chǎn)中都有毛面與光面，對原銅箔進行涂覆、耐熱層處理及防氧化處理等一系列的表面處理加工，可以獲得不同粗糙度的銅箔也稱不同輪廓銅箔，如標準電解銅箔（STD）、反轉(zhuǎn)銅箔（RTF）、低輪廓銅箔（VLP）三種不同粗糙度的銅箔。

PCB行業(yè)從銅箔的厚度、外觀、抗張強度、剝離強度、抗高溫氧化性、銅箔的質(zhì)量等角度對其進行大量研究和給出相應(yīng)的規(guī)定要求。隨著PCB對線路的精細化提升，對銅箔的可加工能力進行大量改良提升，如低輪廓（LP）、超低輪廓（VLP）銅箔具有非常低的粗糙度，能夠減少高頻高速下信號趨附效應(yīng)而在高頻高速材料中廣泛應(yīng)用。目前，覆銅板介電常數(shù)取值方面沒有考慮銅箔對其影響，銅箔的不同是否會影響材料的介電常數(shù)、損耗等介電性能的差異，未進行系統(tǒng)研究。本文主要研究標準電解銅箔（STD）、反轉(zhuǎn)銅箔（RTF）、低粗糙度銅箔（VLP）三種常用的電解銅箔對某高頻材料的介電性能的影響。

隨著在3G/4G通信基站以及更高的以太網(wǎng)、云服務(wù)器的發(fā)展，PCB將朝著高頻高速方向提升，對電阻、阻抗、損耗的控制精度要求將越來越高。在PCB設(shè)計和生產(chǎn)中，掌握銅箔對材料的介電性能影響，在實現(xiàn)精準的電阻和阻抗控制以及降低損耗方面有很高的參考價值。

2　實驗

2.1實驗儀器與材料

儀器：掃描電鏡（SEM）、光學(xué)輪廓儀（Optical Profiler—Contour GT-K1）、萬能材料測試儀（Material Testing Machine）、微電阻儀（Ohm Meter）、安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀（Agilent Network Analyzer-E5071C）。

材料：銅箔厚度為18 μm（0.5 oz）的VLP、RTF、STD銅箔；高頻材料A（聚苯醛復(fù)合樹脂體系）和高頻材料B（改性環(huán)氧樹脂體系）。

2.2實驗過程

（1）粗糙度測試：采用掃描電鏡分析三種銅箔的表面晶格顆粒大小和均勻性，采用光學(xué)輪廓儀測量三種銅箔表面衡量表面粗糙程度的Ra、Rq、Rz等參數(shù)及3D視圖。

（2）剝離強度：設(shè)計長50 mm、寬3 mm的測試條，比較電鍍前、后三種銅箔與高頻材料A及高頻材料B結(jié)合的抗拉力情況，通過實測蝕刻后的線寬w/mm和平均抗拉力度F/N，根據(jù)拉力與寬度的比值求出抗剝離的強度。

（3）直流電阻：在相同的工藝下對三種18 μm （0.5 oz）銅箔，設(shè)計線長為254 mm（10 in），制作線寬分別為0.15 mm（6 mil）、0.2 mm（8 mil）、0.25 mm（10 mil）的線路，通過微電阻儀測量各線路的電阻。

（4）介電常數(shù)測量方法：對三種不同銅箔，在相同厚度規(guī)格、材料、疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計相同內(nèi)層傳輸線阻抗。具體使用反推統(tǒng)計法［1］，先利用阻抗設(shè)計模型設(shè)計相同線寬與阻抗，網(wǎng)絡(luò)分析儀測量阻抗，并通過切片實測線寬、銅厚、介厚等參數(shù)，再代入阻抗模型中反推Dk值，根據(jù)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計獲得不同銅箔下的反推Dk值。

（5）損耗測量：在相同的配本、半固化片，疊層結(jié)構(gòu)、傳輸線設(shè)計下，分別設(shè)計50 Ω（線寬0.15 mm）、100 Ω（線寬0.1 mm，間距0.125 mm）長度都為254 mm（10 inch）的帶狀線，利用Agilent Network Analyzer（E5071C）進行TRL校準后，測量不同銅箔類型與高頻材料A的插入損耗。

3　結(jié)果與討論

3.1表面形貌

通過掃描電鏡和光學(xué)輪廓儀測量PCB常用的VLP、RTF、STD三種銅箔（厚18 μm）的表面形貌，其表面顆粒大小以及3D形貌如圖1所示。

圖1　三種常用PCB銅箔毛面的表面形貌（上：SEM圖；下：3D圖）

表1　銅箔的粗糙度

其中：Ra：粗糙度平均值，表示測試面積上銅箔表面形貌的粗糙；Rq：粗糙度算術(shù)平方根（RMS）；Rz：粗糙度峰高與谷深落差（最大10點均值），表示測試范圍內(nèi)一定寬度帶上銅箔表面形貌的高低落差。

從圖1中可以看出，毛面顆粒大小依次是STD、RTF、VLP銅箔，其中VLP銅箔表面顆粒非常細小且分布均勻，從表1中的粗糙度數(shù)據(jù)也能看出相同的變化趨勢，VLP銅箔的Ra、Rq、Rz值都較RTF銅箔低，RTF較STD銅箔低。

3.2不同樹脂體系下的抗剝離強度

IPC-4562標準規(guī)范［2］對銅箔的剝離強度要求，按照IPC-TM-650測試方法，要求金屬箔的最小剝離強度應(yīng)符合適用詳細規(guī)范的規(guī)定或供需雙方商定。行業(yè)根據(jù)材料類型要求常規(guī)板材抗剝離強度≥0.875 N/mm高頻高速類板材≥0.520 N/mm。在邱彥佳、蔡芬敏等［3］［4］認為銅箔的厚度及加工會影響其抗剝離強度。文章研究對比三種18 μm銅箔在聚苯醛復(fù)合型、改型環(huán)氧樹脂體系的高頻材料中的抗剝離強度，以及經(jīng)過電鍍、5次回流焊后抗剝離強度的變化。圖2、圖3分別為某高頻材料A（聚苯醛復(fù)合樹脂體系）和某高頻材料B（改性環(huán)氧樹脂體系）中三種銅箔的抗剝離強度變化趨勢。

從圖2、圖3中可以看出，隨著銅箔粗糙度的增大其與樹脂結(jié)合力增強；過回流焊后抗剝離強度降低，經(jīng)過電鍍后其抗剝離強度增大?；~經(jīng)蝕刻且不過回流焊后進行拉力測試，VLP、RTF銅箔與兩種樹脂體系結(jié)合力最小為0.55 N/mm，能滿足行業(yè)對高頻高速材料要求抗剝離強度＞0.52 N/mm；表層電鍍后過回流焊，也能滿足高頻高速材料對抗剝離強度的要求。

圖2　聚苯醛復(fù)合樹脂體系下抗剝離強度對比

圖3　改性環(huán)氧樹脂體系下抗剝離強度對比

3.3對直流電阻的影響

在PCB設(shè)計中，一些電子產(chǎn)品對線路板內(nèi)傳輸線的直流電阻有一定要求，目前，行業(yè)對有直流電阻要求的線路板一般控制在設(shè)計值的±10%范圍，部分要求控制在±5%。根據(jù)經(jīng)典歐姆定律:（其中，R為電阻，Ω；ρ為銅電導(dǎo)率0.017593（Ω·mm2/m）；電阻僅與線路長度和橫截面積有關(guān)。然而，對于不同銅箔類型設(shè)計相同線寬、長度的傳輸線的直流電阻是否一定相等。根據(jù)現(xiàn)有銅箔規(guī)格厚度按照稱重法計量，不同銅箔類型的加工過程中經(jīng)微蝕刻后，銅面厚度以及覆蓋有機涂層厚度存在差異，導(dǎo)致相同規(guī)格厚度的有效導(dǎo)體厚度不同，造成相同線寬下有效導(dǎo)體截面差異［5］。在銅箔制造工藝中，姜力強［6］發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)電解銅箔時，沉積層的電阻率開始隨陰極電流密度的增加而增加。為研究不同銅箔對傳輸線的直流電阻的差異，對含18 μm的VLP、RTF、STD三種銅箔的板材，各設(shè)計十組長度為254 mm線寬分別為0.15 mm、0.2 mm、0.25 mm的傳輸線，經(jīng)過內(nèi)層蝕刻后使用微電阻儀（Ohm Meter）測量各線寬下的電阻，如圖4所示，相同線寬、銅箔下的電阻均值隨銅箔類型的變化趨勢。從圖4中可以看出，表面粗糙度最大的STD銅箔直流電阻最大，其次是RTF、VLP銅箔，相同設(shè)計下RTF銅箔較VLP銅箔的直流電阻偏大4%～6%。

圖4　傳輸線長254mm直流電阻隨銅箔類型變化趨勢

3.4對介電常數(shù)的影響

介電常數(shù)是PCB阻抗設(shè)計中不可或缺的因子，指相對于真空增強材料儲能容量的能力，屬于材料本身所固有的電氣特性。在IPC-650測量介電常數(shù)的標準中，含銅與無銅的板材都可以作為測試樣品。此前，根據(jù)材料的介電常數(shù)依賴于板材中樹脂與玻纖的成分以及所占比值，不受銅箔的影響。然而，銅箔本身也具有一定介電性能和儲能能力［7］，影響覆銅板整體的介電常數(shù)；在銅箔與板材壓合過程中，銅箔毛面嵌入在樹脂內(nèi)，類似于銅箔填充到樹脂中，改變樹脂的介電常數(shù)值。因此，為研究銅嵌入樹脂內(nèi)的程度對板材的介電常數(shù)的影響，是否與銅箔表面粗糙度有關(guān)，通過反推統(tǒng)計法［1］對不同粗糙度的STD、RTF、VLP銅箔與某高頻材料（A）的介電常數(shù)情況，采用0.5 oz的三種銅箔與2張1080（RC69%）壓合制作芯板，并使用完全相同的疊層并設(shè)計完全相同的多組阻抗條（coupon）。通過測量各附連扳（coupon）的內(nèi)層阻抗值，利用測量對應(yīng)線寬、介厚、銅厚等數(shù)據(jù)進行反推統(tǒng)計Dk均值，對100組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計所得的結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出，1080配置VLP、RTF、STD的介電常數(shù)分別為3.073、3.148、3.245，粗糙度越低的銅箔對應(yīng)的Dk值越小。

圖5　1080與三種銅箔的反推統(tǒng)計介電常數(shù)分布

采用與上1080同樣的方法，對比某高頻材料（A）中1067、3313、2116三種規(guī)格半固化片與STD、RTF、VLP銅箔壓合的介電常數(shù)情況，通過設(shè)計相同疊層、相同的阻抗布線下不同銅箔類型的Dk均值，利用反推統(tǒng)計法獲得不同情況下的介電常數(shù)均值的變化r勢如圖6所示。

從圖4中可以看出，采用反推統(tǒng)計法獲得的介電常數(shù)隨著銅箔表面粗糙度的增大而增大。相同板材條件下，使用STD銅箔較RTF銅箔下的介電常數(shù)大0.07～0.1；使用RTF銅箔較VLP銅箔下的介電常數(shù)大0.06～0.09。因此，在使用低粗糙度銅箔材料設(shè)計高精度阻抗時，需要考慮銅箔對介電常數(shù)的影響。

圖6　三種銅箔與高頻材料A的幾種固化片壓合的反推Dk變化趨勢

3.5對損耗的影響

在高頻高速信號傳輸中，傳輸線受到變頻場的作用，存在趨膚效應(yīng)（skin effect）的現(xiàn)象，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流趨向在導(dǎo)體表面富集。頻率越高趨膚效應(yīng)越強，導(dǎo)致?lián)p耗增大。根據(jù)Hammerstad［8］解釋傳輸線模型中表面粗糙度對損耗影響，是將光滑導(dǎo)體的信號損耗乘以Hammerstad系數(shù)，公式如下所示：

其中，Ksr為趨膚系數(shù)，hRMS為表面粗糙高度的均方根（Rq），δ為趨膚深度。趨膚深度受傳輸頻率的影響，有：

根據(jù)經(jīng)典損耗理論，傳輸線總損耗［8］根據(jù)公式：

考慮到趨膚效應(yīng)，傳輸線的總損耗通過修正有：

其中，αdt為總損耗，αdc為無趨膚效應(yīng)的導(dǎo)損，αdd為介損。

以帶狀線為例，帶狀線的導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗有以下公式：

其中，f為信號傳輸頻率，εr為介電常數(shù)，t為傳輸線銅厚，w為傳輸線寬度，b為兩地之間的介質(zhì)厚度，常數(shù)為介質(zhì)損耗因子。

從上損耗理論損耗的影響因素來看，銅箔表面粗糙度影響傳輸線的導(dǎo)體損耗，粗糙度越大，趨膚效應(yīng)中的Hammerstad系數(shù)越大，導(dǎo)損、總損耗越大。實驗采用了高頻材料A（1080）分別配置VLP、RTF和STD，在相同的配本、半固化片，疊層結(jié)構(gòu)、傳輸線設(shè)計下，設(shè)計50 Ω、100 Ω的帶狀線，利用Agilent Network Analyzer（E5071C）進行TRL校準，測量不同銅箔下的插入損耗隨頻率的變化關(guān)系結(jié)果如圖7所示。

圖7　VLP、RTF、STD銅箔帶狀線的信號損耗

從圖7中可以看出，相同條件下（材料、頻率、線寬、疊層），粗糙度越大的STD銅箔損耗越大。當(dāng)頻率小于3 GHz，三種銅箔對插入損耗的影響較小，隨著頻率增大，三者的差異越來越明顯。在10 GHz下，VLP、RTF和STD三種銅箔下的帶狀傳輸線（寬6 mil）的損耗分別為0.548 dB/in、0.579 dB/in 和0.61 dB/in。10 GHz下，VLP較RTF銅箔的單位長度損耗偏小0.031 dB/in；RTF較STD銅箔的單位長度損耗偏小0.033 dB/in。因此，低粗糙度銅箔有利于降低高頻高速信號的損耗。

利用三種銅箔的Rq值以及公式（4）～公式（9），對上圖7中三種銅箔下的單端損耗進行理論計算，對比5 GHz ～ 20 GHz頻率下的理論損耗和實際損耗如表2所示。

從表2可以看出，理論損耗與實際損耗變化趨勢基本重合。說明經(jīng)典趨膚效應(yīng)和損耗計算公式能解釋粗糙度對插入損耗的影響。根據(jù)經(jīng)典損耗計算公式（9），相同的材料下的介損相同；相同的線寬、阻抗、疊層和材料下，由公式（9）得αc值不變；三者的損耗差異來源于粗糙度造成趨膚效應(yīng)系數(shù)（Ksr）的不同，粗糙度越低Ksr越低，越有利于降低損耗。因此，低粗糙度銅箔將在高頻高速材料中廣泛使用。

表2　帶狀線（單端6mil）的實測損耗與理論損耗對比

4　小結(jié)

（1）VLP、RTF、STD銅箔粗糙度Ra分別為0.513、0.619、1.413。

（2）VLP與聚苯醛復(fù)合樹脂體系壓合的抗剝離強度為0.55 N/mm，經(jīng)過電鍍及回流焊后抗剝離強度為0.69 N/mm；與改性環(huán)氧樹脂體系壓合的抗剝離強度為0.63 N/mm，經(jīng)過電鍍及回流焊后抗剝離強度為0.52 N/mm；RTF銅箔較VLP抗剝離強度高，都滿足高頻材料對剝離強度的要求。

（3）相同條件下，STD銅箔較RTF銅箔的直流電阻大4%～6%，RTF銅箔較VLP銅箔的直流電阻大4%～6%。

（4）相同板材條件下，通過反推法獲得STD銅箔介電常數(shù)較RTF銅箔的偏大0.07～0.1；RTF銅箔較VLP銅箔的介電常數(shù)大0.06～0.09，高精度阻抗設(shè)計需要考慮銅箔類型對材料有效介電常數(shù)的影響。

（5）低粗糙度銅箔降低高頻高速材料的損耗，在聚苯醛復(fù)合樹脂體系中，10 GHz下VLP較RTF銅箔的單位長度損耗偏小0.031 dB/in；RTF較STD銅箔的單位長度損耗偏小0.033 dB/in。

［1］范紅，王紅飛，陳蓓. PCB板材介電常數(shù)的測量方法及其應(yīng)用［J］. 印制電路信息，2014.11.

［2］IPC-TM-650標準.

［3］邱彥佳. 不同厚度銅箔對基板剝離強度的影響［J］.印制電路信息.2008（4）:27-31.

［4］蔡芬敏. 電沉積參數(shù)對電鍍妥銅箔組織性能的影響［M］. 南昌大學(xué)學(xué)位論文， 2014.

［5］Alexander. A Designed Experiment for the Influence of Copper Foils on Impedance， DC Line Resistance and Insertion Loss［J］.

［6］姜力強，鄭精武，李華. 電沉積銅層的力學(xué)和電學(xué)性能的研究［J］. 稀有金屬，2003，27（3）:347-349.

［7］鄺向軍. 關(guān)于金屬介電常數(shù)的討論［J］. 四川理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2006.4（19）.75-79.

［8］Stephen C. Thierauf .High-Speed Circuit Board Signal Integrity［M］. Artech House， Inc. Boston London.

范紅，技術(shù)中心研發(fā)工程師，從事高頻、高速PCB相關(guān)研發(fā)工作。

Study on low profile copper foil effect on high frequency material

FAN Hong WANG Hong-fei ZHAO Liang-bing CHEN Bei

The copper foil as the carrier of electronics and signal transduction channel in printed circuit board， is one of the most important raw material for PCB manufacturing. With the development of high-frequency and high-speed PCB， low profile copper foil is widely used in specific fields. This paper mainly studies the impact of copper roughness on DC resistance and dielectric properties of PCB materials. Peel strength and insertion loss of STD， RTF and VLP laminated with different high-frequency laminates were studied.

Low Profile Copper Foil； Roughness； Resistance； The Dielectric Constant； Insertion Loss

TN41

A

1009-0096（2015）08-0029-06