铜箔是PCB的重要组成原料,铜箔的主要作用是传输电流和信号,此外还可以做为参考平面来控制传输线的阻抗,或做为屏蔽层来抑制电磁干扰。
FR4覆铜板上的铜箔
在PCB制造过程中,铜箔的纯度、厚度、表面粗糙度、剥离强度、蚀刻性能、热膨胀系数等特性也会影响PCB制造的质量和可靠性。
纯度(Purity):铜箔的纯度通常在99.5%以上,高纯度有助于提高导电率,减少杂质带来的电气问题。
厚度(Weight):铜箔的厚度通常以盎司(oz)为单位进行测量,1盎司铜箔可以覆盖1平方英尺(ft²)的面积,厚度大约为1.4 mils(千分之一英寸)。铜厚影响线路的电流承载能力和PCB的散热性能。
剥离强度(Peel Strength):铜箔与绝缘基材之间的粘接强度,可以用牛顿每米(N/m)来表示,影响PCB的机械稳定性和可靠性。
在PCB的制造过程中,如层压、钻孔和电镀等步骤,都需要铜箔与基材之间有足够的剥离强度以抵抗热应力和机械应力。如果剥离强度不足,铜箔可能会在加工过程中与基材分离。同时随着线宽越来越小,铜箔的剥离强度也随之变低,因此如果条件允许的话,可以在焊盘位置加泪滴,防止焊接过程出现线路脱落。
焊盘添加泪滴
热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion, CTE):是指铜箔在温度变化时单位长度的尺寸变化量,影响到PCB在不同温度下尺寸稳定性和机械应力。铜箔的CTE应与PCB上的其他材料相匹配,以减少热应力和提高可靠性。
为了提高PCB的可靠性,需要选择于其他材料CTE一致的铜箔,或通过设计层压工艺来减少不同材料之间CTE的差异。同时需要精确控制PCB制造过程中的温度,减少由于热膨胀引起的质量问题。
抗蚀性(Etchability):在PCB制造过程中,铜箔需要经过蚀刻过程以形成所需的电路图案,抗蚀性影响蚀刻的质量和效率。蚀刻质量包含:蚀刻过程的精度,蚀刻均匀性,蚀刻后表面的平滑度等。
表面粗糙度(Surface Roughness):铜箔的表面粗糙度影响其与绝缘材料的结合强度和焊接性,但是对于高速信号来讲,铜箔表面越光滑越好。
不同粗糙度铜面的电镜照片
当信号频率变高时,PCB线路中的电流会集中在其表面一定深度内流动,这也被称为趋肤效应。铜箔表面越光滑,信号传播过程的对于信号得衰减也越小,相应的传输线的阻抗控制也越好。
铜面粗糙度对信号传输的影响
铜箔从制造工艺上可以分为两种:压延(Rolled)与电解沉积(Electrodeposited),不同制造工艺的铜箔都有其特定应用场景。
退火轧制铜(Rolled Annealed):通过将锭材轧制成非常薄的箔片制成,晶粒结构呈水平取向。由于轧制会在铜箔上产生应力,需要通过热退火来去除应力。退火轧制铜的每一面光洁度都比较高,因此在覆铜板加工时需要在树脂一侧做出铜牙,提高铜箔的剥离强度。一般做出树脂铜牙的深度约时电沉积铜铜牙的一半,因此剥离强度也约为电沉积铜的一半。
由于表面光洁度较好,退火轧制铜箔在传输13GHz以上的信号时,可表现出优异的性能。
退火轧制铜箔
电沉积铜(Electro Deposited):通过旋转鼓上电镀,从而产生垂直取向的晶粒结构的铜箔。在鼓面外侧,铜镀层粗糙,可以提供较强的剥离强度,但是当传输信号频率较高时也会对信号造成较大的衰减。
电沉积铜箔
在以上两种基础制造工艺的基础上,根据不同的应用需求衍生出了很多类型的铜箔。
高温高延伸性铜箔(HTE):又称为HD铜箔,在高温(180℃)时保持有优异延伸率的铜箔。其中,35μm和70μm厚度的铜箔高温(180℃)下的延伸率能达到4%-10%。
反向处理铜箔(RTF):也叫反转铜箔,在标准的电解铜箔(ED铜箔)或轧制退火铜箔(RA铜箔)的基础上,对铜箔的表面进行粗糙化处理,以改善其与绝缘材料(通常是预浸料或预浸渍材料,即prepreg)的粘合性能。
RTF铜箔的反向处理面提供了更好的粘附力,可以降低层间剥离的风险,有助于提高PCB的整体结构稳定性。
双面处理铜箔(DST):对光面和粗面都做粗化处理,主要目的是降低成本,对光面进行粗化处理可以省掉压膜前的铜面处理及棕化步骤。可作为多层板内层的铜箔,不必在多层板压合前再进行棕化处理。
缺点是铜面可能有划伤,且一旦有污染去除较困难。
低轮廓铜箔(LP):低轮廓这里是泛指,轮廓进一步低的还有VLP铜箔,HVLP铜箔,HVLP2等。低轮廓铜箔的结晶很细腻(在2μm以下),为等轴晶粒,不含柱状的晶体,呈成片层状结晶,且棱线平坦,有利于信号的传输。目前LP铜箔主要用于高频高速PCB。
涂树脂铜箔(RCC):又称为附树脂铜箔,背胶铜箔。它是在薄电解铜箔(厚度一般≦18μm)的粗化面上涂覆一层或两层特殊组成的树脂胶液(树脂的主要成分通常是环氧树脂),经烘箱的加工干燥脱去溶剂、树脂成为半固化阶段的形式。
RCC所用的厚度一般不超过18μm,目前常用12μm为主,树脂层的厚度一般在40—100μm。它在积层法多层板的制作过程中,起到代替传统的半固化片与铜箔二者的作用。
超薄铜箔(UTF):指厚度小于12μm以下的铜箔,常见的是9μm以下的铜箔,使用在制造微细线路的PCB上。由于极薄铜箔在拿取上困难,因此一般有载体作为支撑,载体的种类有铜箔、铝箔、有机薄膜等。
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