渡邊充広

関東學院大學 綜合研究推進機構 教授

馬明誠 譯

本刊副主編

1 鍍覆對于電子產品用印制板的性能及電路形成的重要性

印制板是構成各類電子產品的重要元器件，在十分廣闊的工業(yè)及生活領域只要有電子產品都離不開的配套電子元器件。日本工業(yè)標準（JIS）把僅形成線電路狀態(tài)的板定義為印制線路板（PWB，Printed Wiring Board），把安裝了電子元器件及印制元件具有電子電路功能板定義為印制電路板（PCB，Printed Circuit Board）。印制板是印制電路板和印制線路板的總稱。印制板的作用即是實現電子元件之間的電氣互聯發(fā)揮其各自功能作用又是電子元器件的載體。印制板大體分為剛性板、撓性板、剛撓結合板和金屬基等四大類型。與其各自相對應使用的基材分別是玻纖環(huán)氧樹脂覆銅板（FR-4），以聚酰亞為主的各類撓性覆銅板、剛撓性基材（根據其用途選用相應的基材）、金屬基覆銅箔板。

電鍍涂覆（鍍覆）是印制板生產不可缺少的技術，如圖1所示，電路的形成、安裝用鍍通孔、導通孔（層間互連過孔）等的形成。為了便于元器件的安裝最后要對印制電路表面進行多種多樣的鍍覆處理。印制板所用的主要基材覆銅板的銅箔就是采用電鍍生產。電鍍對于半導體及各種元器件的生產都是不可或缺的技術。若往大里說，沒有“電鍍、涂覆” 技術也就沒有現如今的輕薄短小、高性能和多功能的電子產品，這絕不是言過其實。作為高度信息化社會電子產品心臟印制板的重要作用日益突顯出來。印制板的電路形成及其表面的鍍覆層性能要求比以往任何時候都更加嚴格。信號傳輸的高頻化，高速化對印制板來說過去不成問題的問題現在卻是不可輕視的重要問題了。作為改進這一問題的措施，新的鍍覆技術成為十分必要的技術之一。

圖1 印制電路板鍍覆處理示例

2 高速，寬頻帶的下一代通訊

2.1 面向高度信息化社會下一代通訊（6G）

互聯網和手機的普及使人類社會生活發(fā)生巨大變化，如今IoT（互聯網）和自動駕駛也正在逐步進入5G時代。世界上正在積極推進5G基站建設和加強服務工作，期待5G超高速傳輸、大容量和低延遲通訊、多路系統(tǒng)的互連，可以實現高清晰畫質數據瞬間傳輸和接收，從而能實現自動駕駛。隨著接入互聯網數量的不斷增加，數據處理量必然會隨之大幅度增長。預計數年后將會不能滿足數據處理的需求，目前各國都在積極圍繞6G技術開展研發(fā)。ITU（國際電氣通訊聯合會）目前建了到2030年實現6G網絡的專門機構，探討擴展5G未來實現100 GHz左右的可行性。美國聯邦通信委會CFCC暗示其正在進行95 GHz～3 THz的6G技術研發(fā)。6G傳輸速度10倍于5G的傳輸速度。通訊速度超高速化能像神經所起的作用那樣把現實世界與虛擬世界無需任何助力的條件下連接起來。預計不久超高速傳輸能起到像人類的視覺、聽覺、觸覺那樣無延遲的傳輸信息，無論在世界上任何地方都能真實的快速選人、物的信息。目前世界各國已經圍繞6G的導入開展多方面的競爭。

日本總務省將下一代5G命名為“Beyond 5G”（超越5G），召開了“Beyond 5G戰(zhàn)略” 座談會，并探討了日本今后社會的改善問題。圖2是日本總務省有關以信息化為基礎預測6G路線模型圖。

圖2 至6G路線

2.2 高速信號處理的必要性

增加信息傳輸量和數據的處理量是實現高度信息化社會的必然趨勢，隨著IoT（物聯網）的不斷向前推進，可以說通過5G、6G處理數據的量呈現爆炸式增加的態(tài)勢，這些數據如果不及時處理快速傳輸和靈活應用，那就沒有任何意義可言。要想提供并獲得實時信息，就必須對大量的數據進行運算處理和高速傳輸，可以說對數據高速運算處理并及時瞬間高速傳輸之間相互配合是十分重要的問題。數據的處理是通過半導體進行運算處理，其高速化地運算處理是與時代同步發(fā)展進步的。時至今日，普通電腦所安裝的1G功能半導體，連接半導體的電路傳輸損耗和延遲仍然是存在的問題之一。也就是說印制板的信號傳輸性能并未緊緊追趕上半導體的前進步伐。今后提高印制板的信號傳輸性能是適應高速信息化社會電子產品需求的重要課題。

3 適應高頻要求的電路板

3.1 以往電路板的問題

過去一般印制板主要使用以便于加工和低成本的玻纖環(huán)氧樹脂覆銅板（FR-4）、撓性印制板主要用聚酰亞胺膜覆銅板。這些樹脂基材與電路銅箔的黏結需要通過對銅箔黏結面進行處理使之表面有數微米凹凸。

眾所周知，流經電路的電信號傳輸速度與介質材料的介電常數（Dk）成反比，而傳輸損耗又受到介質材料的介質損耗因數和電路導體的導電率及其表面粗糙影響。電流流動有趨膚效應，流動電流的頻率越高受到趨膚效應的影響就越大，見圖3所示。

圖3 趨膚效應

如將電流流過的有效表面的厚度稱為表皮厚度，則頻率越高其值越小，銅導體電路時頻率1 GHz表皮厚度為2 μm；當頻率10 GHz時表皮厚度為0.66 μm；當頻率100 GHz時其值約為0.21 μm。電路表面實施鍍覆Ni/Au處理也會有令人擔心導體損耗問題。電路導體表面的粗糙度與傳輸損耗密切相關，導體表面越粗糙損耗也就越多。因此，應用于高頻的印制板所使用的基材要具有低介電常數和低介質損耗因數，而且基材還應在使用環(huán)境條件下具有穩(wěn)定性能，這一點也是十分重要。從降低導體損耗角度來說，高導電率導體和其表面平滑同樣都很重要。一般的環(huán)氧樹脂類印制電路板和聚酰亞胺樹脂撓性電路板在應對高頻用途方面今后還有許多各類問題需要解決。

3.2 適用于高頻要求印制板用覆銅板

在選擇應用于高頻覆銅板時，必定會遇到介電常數和介質損耗因數這兩個術語。所謂介電常數（ε）是指物質所帶電荷感應極化所引起的物質物理特性變化程度的參數。我們一般常用相對介電常數表征電介質或絕緣材料的電性能。相對介電常數是在規(guī)定形狀電極之間的物質電容量與相同電極之間為真空時的電容之比，它是無量綱量。我們印制板用覆銅板的“介電常數”大多都是指相對介電常數。介質損耗因數（有時又稱介質損耗角正切）是指介質體內損耗電能程度值，其值越小，損耗也越少。如前面所述，印制板所用基材考慮到加工成本問題，目前FR-4仍是最主要的所用基材。FR-4不僅介電常數、介質損耗因數偏大，而且其有吸濕性，暴露于使用環(huán)境下，其絕緣性能穩(wěn)定性也有欠缺。FR-4不適合作為高頻電路板基板使用。信號傳輸速度與介電常數相關，介電常數越小，傳輸速度越高；介質損耗因數大將會吸收微波信號，就不能有效地傳輸信號，頻率越高這種現象就越明顯，所以希望高頻高速電路板用覆銅板的介電常數和介質損耗因數盡可能要小，這是十分重要的。圖4所示的是傳輸速度與介電常數、傳輸損耗與介質損耗因數關系。

圖4 基材介質特性和傳輸性能的關系

目前所知可適合作為高頻印制板用基材有聚四氟乙烯（PTFE）、液晶聚合物（LCP）、改性聚苯醚樹脂（M-PPE）、BT樹脂（雙馬來酰亞胺三嗪樹脂）、低介電聚酰亞胺樹脂等。近來都圍繞多種多樣低電常數和低介質損耗因數的樹脂開展研發(fā)。

作為印制板用基材不僅電氣性特別重要，其加工性能，元器件安裝性以及其物理性能也都很重要，需要綜合平衡，這一點是必要的。

3.3 低介電常數（Dk）、低介質損耗因數（Df）基材的鍍覆處理

高頻用途的印制板大多采用PTFE覆銅板，以減成法形成電路。眾所周知，PTFE表面難于直接進行鍍覆，在進行孔金屬化時，要想在具有疏水性的PTFE表面進行化學鍍，首先必須對其表面進行改質處理以使其具有良好的潤顯性。現知的表面處理方法就是用金屬鈉藥液處理。PTFE表面處理技術大都并非是一般的技術問題。日本株式會社潤工開發(fā)出了商標為gjトfflェジチPEFE表面處理劑，它是利用脫氟導入親水性官能基并使其表面粗化從而就可以進鍍覆。近年來有的研究了利用各中氣體等離子體在真空中進行實用化處理。近來正在進一步研究確認采用脫氟后使之形成氨基，并賦予親水性作為氟樹脂表面鍍覆前處理的有效性問題。另外，目前還圍繞低輪廓銅箔仍然能保持高粘結強度的覆銅板開展研究。

作為高頻用途的撓性印制板基材液晶聚合物（LCP）也正在引起人們的注目。但直接在LCP表面進行化學鍍形成導體則金屬的沉積和附著性較差，化學鍍前首先需要對其表面用氫氧鉀水溶液或水合乙二胺水溶液等進行改性處理，近來還有采用等離子體處理和用紫外線照射其使其表面形成羧基官能團賦予親水性后再進行化學鍍的研究報告。

PPE樹脂是低Dk、低Df、低水性熱塑樹脂，對其耐溶劑、耐熱進行改良成為熱固性的改型PPE樹脂（mPPE），可作為印制板用CCL（撓性覆銅板）的樹脂。金屬化孔前首先要對孔進行除鉆污處理后再化學鍍銅，mPPE除鉆污相較FR-4要困難一些，所以必須控制好處理參數。

BT樹脂是1974年三菱瓦斯化學（株）開發(fā)出來的耐熱聚合型熱固樹脂，它是由三嗪樹脂和雙馬來酰亞胺樹脂組成，過去主要是用于半導體封裝。期望其能成為適合高頻用途的低介質損耗樹脂，并能適合采用現有的包括除鉆污處理在內的常規(guī)金屬化孔工藝。

顯示與氟樹脂有近似介質特性的樹脂有烯烴類樹脂、環(huán)烯類聚合物（COP，Cyclo-Olefin Polymer）。當初開發(fā)意圖是作為光學用途塑料，由于其難于適應作為有回流焊要求的撓性板基材，而近年來開發(fā)出了改性耐熱結晶性COP，但若采用常規(guī)的鍍覆工藝直接在COP上化學鍍是很難的，但通過對其表面實施紫外線照射，使其表面形成有羧基官能團等的改質層，就可能在其表面進行化學鍍形成有良好附著性的鍍膜。期望今后它可以作為高頻天線、高頻高速印制板用基材。

3.4 低導體損耗電路形成技術簡介

由于傳輸信號有趨膚性，而且傳輸率越高，就越趨向在導體表面?zhèn)鬏敗w表面的粗糙度與導體傳輸的損耗密切相關，導體表面越粗糙傳輸損耗就越多。在微帶結構的場合下，易于信號在電路下部傳輸。因考慮導體與基材的黏結強度問題，導體表面有數微米凹凸的粗糙度，會因錨固作用增大導體與基材的黏結強度。觀察銅箔粗糙輪廓轉移至樹脂面的痕跡，其凹凸程度與電路內側粗糙形貌相一致。圖5所示是采用減成法形成的電路與樹脂面黏結的錨固作用的效果圖。當電路表面微細凹凸時，電流將沿著凹凸部位流動。由于表面粗糙從而使其電阻增大造成損耗增大。圖6所示是導體界面粗糙度與導體損耗的關系。理想的是如鏡面那樣平滑。然而平滑的導體表面其黏結力又是令人擔心的問題。所以研究開發(fā)新的技術方法尤為重要。關東學院大學材料.表面工程學研究所研究了采用紫外線（UV）照射低Dk、低Df樹脂材料的平滑表面進行制作電路的方法。如前述對COP表面處理。

圖5 采用減成法形成的電路

圖6 界面粗糙度與傳輸損耗的關系（微帶電路）

工藝流程如圖7所示。在大氣條件下，用185 nm/254 nm的混合波長紫外線燈光對材料表面照射數分鐘進行改質，得到厚度50～100 nm的官能基改質層。形成改質層后，采用常規(guī)的化學鍍銅與電鍍銅，再用減成法形成電路。圖8所示是采用該工藝在平滑表面上形成的電路圖形，其剝離強度達到8 N/cm。黏結機理如圖9所示。改質層浸催化劑，浸入鍍液沉積金屬銅，銅面有納米級的錨固效果。測試顯示改質層對傳輸損耗沒有影響，測試電路界面導電率結果如圖10所示。圖11是在平滑樹脂表面單向化學鍍電路圖。

圖7 UV改質面的鍍覆處理

圖8 COB平滑面上形成的電路

圖9 平滑面上鍍覆層緊密結合的機理

圖10 COP平滑表面上形成電路的界面導電率

圖11 絕緣樹脂平滑表面上單向電鍍的電路

在多層電路板內層電路（帶狀線）場合，為了提高導體與半固化樹脂黏合強度，需要對銅箔表面進行氧化還原處理或微蝕處理，以形成粗化表面，目前也正在對相關的技術方法進行探討，如在銅表面涂布打底涂膜。

3.5 應對未來超高頻、高傳輸速度的鍍覆技術

應對高頻電路的形成除要求電路表面要平滑外，導體的高導電率也是很重要的。在樹脂表面所形成鍍覆層由于要作為信號通道的電路這就需其要有良好的導電率。我們測試了多種化學鍍銅膜和濺射銅膜的導電率，測試結果顯示濺射形成的銅膜導電率最優(yōu)。我們分析認為這并非偶然的差別，可能是鍍液中混入不純物質或氫，從而影響了化學鍍銅膜的導電率。研究提高化學鍍銅膜的導電率依然是今后研發(fā)的課題之一。

無電解鍍（又稱化學鍍、化學沉積、無電沉積）一般用鈀Pd作催化劑，近來不斷增多應用的半加成法(SAP）也存在Pd殘渣的問題，期望能有替代方法。我們正在探討用銀鈉米粒子的可行性，同時也在將價格比較便宜的銅作為催化劑的研究。由于銅催化劑容易去除無需擔心殘渣問題，從而也可以提高電路間的絕緣可靠性?，F在正專心致力于量產技術的研究，降低生產成本也是十分重要的問題。在常規(guī)技術工藝中，采用感光法形成電路，由于其流程繁多，會對成本產生很大的影響。因而我們正在開發(fā)采用僅對形成電路處部位的樹脂表面進行UV照射改質，化學沉銅時銅也就只在改質的部位沉積形成電路的技術。通?；瘜W鍍銅對銅的沉積也會向縱橫兩個方向沉積，但只要往鍍液中添加特殊添加劑就可以抑制橫向銅沉積，達到單向銅沉積目的。使用這一技術就有可能使全加成法形成電路不用再采用感光法成為可能?，F在正圍繞量產技術而努力。圖11所示的是有選擇地對電路形成處樹脂表面進行UV照射，改質后在平滑樹脂表面單向化學鍍銅所形成的電路。

4 結束語

5G時還剛剛開始，就已著手下一代“Beyond 5G（6G）”的研發(fā)工作。未來更高頻的傳輸是必然的趨勢，這就要求印制板必須有更低傳輸損耗的電路，如此則要求所用基材必須有更低Dk、Df，低粗糙度和高導電率的電路、微孔金屬化、電路表面化學鍍Ni/Au等要達到理想的狀態(tài)，有關的“化學鍍”課題仍有不少。面對未來6G時代，期望包括鍍覆表面處理技術、布線加工技術、設計技術等各專業(yè)部門能協同進行研發(fā)。本文譯自：JPCA news No.638 2021.11

譯者的話：5G時代的到來，人們對印制電路板的認識有了重大變化，充分認識到像CPCA王龍基名譽秘書長在2022第一期《印制電路信息》雜志刊首語中所寫的“印制電路板（PCB）是電子產品的之母”、是“芯片縮小的PCB；PCB是放大的芯片”。無論多么高級的計算機沒有軟件系統(tǒng)都是無用的，只能稱其是一個“盒子”，同樣無論多少高性能的VLSI（甚大規(guī)模集成電路）、芯片和電子元件都集中放在一起，也不會發(fā)揮任何功能。只有將其安裝在印制電路板應在的位置上，才能發(fā)揮其功能作用，完成電子電路所確定的功能動作。有人將元器件、集成電路與印制電路板的關系稱作“毛與皮的關系”，它們必須生長在（安裝）印制電路板這“張皮”上才能發(fā)揮其有效功能。皮之不存，毛將焉附。雖如此說，但仍有個別地方政府相關部門并不待見印制電路板行業(yè)及與之配套的上游企業(yè)，如要求印制電路板用的焊料油墨必須由溶劑型改為水溶性油墨，真不知這些官員是如拍腦袋想出來的。衷心希望這些人少些應酬，多走走企業(yè)，多聽聽行業(yè)協會的意見，不在鬧出把印制電路板歸于印刷行業(yè)，必須取得印刷許可證才能生產的笑話。

5G 時代的到來，6G時代也正積極向前推進，對我們印制電路行業(yè)（現已改為電子電路行業(yè)）來說，還有不少技術（其中包括鍍覆技術）問題仍需下功夫去開發(fā)，任重道遠，仍須努力！