渡邊充広
関東學(xué)院大學(xué) 綜合研究推進(jìn)機(jī)構(gòu) 教授
馬明誠(chéng) 譯
本刊副主編
印制板是構(gòu)成各類(lèi)電子產(chǎn)品的重要元器件,在十分廣闊的工業(yè)及生活領(lǐng)域只要有電子產(chǎn)品都離不開(kāi)的配套電子元器件。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)把僅形成線(xiàn)電路狀態(tài)的板定義為印制線(xiàn)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(xiàn)路板的總稱(chēng)。印制板的作用即是實(shí)現(xiàn)電子元件之間的電氣互聯(lián)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(jié)合板和金屬基等四大類(lèi)型。與其各自相對(duì)應(yīng)使用的基材分別是玻纖環(huán)氧樹(shù)脂覆銅板(FR-4),以聚酰亞為主的各類(lèi)撓性覆銅板、剛撓性基材(根據(jù)其用途選用相應(yīng)的基材)、金屬基覆銅箔板。
電鍍涂覆(鍍覆)是印制板生產(chǎn)不可缺少的技術(shù),如圖1所示,電路的形成、安裝用鍍通孔、導(dǎo)通孔(層間互連過(guò)孔)等的形成。為了便于元器件的安裝最后要對(duì)印制電路表面進(jìn)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(chǎn)。電鍍對(duì)于半導(dǎo)體及各種元器件的生產(chǎn)都是不可或缺的技術(shù)。若往大里說(shuō),沒(méi)有“電鍍、涂覆” 技術(shù)也就沒(méi)有現(xiàn)如今的輕薄短小、高性能和多功能的電子產(chǎn)品,這絕不是言過(guò)其實(shí)。作為高度信息化社會(huì)電子產(chǎn)品心臟印制板的重要作用日益突顯出來(lái)。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(shí)候都更加嚴(yán)格。信號(hào)傳輸?shù)母哳l化,高速化對(duì)印制板來(lái)說(shuō)過(guò)去不成問(wèn)題的問(wèn)題現(xiàn)在卻是不可輕視的重要問(wèn)題了。作為改進(jìn)這一問(wèn)題的措施,新的鍍覆技術(shù)成為十分必要的技術(shù)之一。
圖1 印制電路板鍍覆處理示例
互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)的普及使人類(lèi)社會(huì)生活發(fā)生巨大變化,如今IoT(互聯(lián)網(wǎng))和自動(dòng)駕駛也正在逐步進(jìn)入5G時(shí)代。世界上正在積極推進(jìn)5G基站建設(shè)和加強(qiáng)服務(wù)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(shí)現(xiàn)高清晰畫(huà)質(zhì)數(shù)據(jù)瞬間傳輸和接收,從而能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。隨著接入互聯(lián)網(wǎng)數(shù)量的不斷增加,數(shù)據(jù)處理量必然會(huì)隨之大幅度增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)數(shù)年后將會(huì)不能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)處理的需求,目前各國(guó)都在積極圍繞6G技術(shù)開(kāi)展研發(fā)。ITU(國(guó)際電氣通訊聯(lián)合會(huì))目前建了到2030年實(shí)現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu),探討擴(kuò)展5G未來(lái)實(shí)現(xiàn)100 GHz左右的可行性。美國(guó)聯(lián)邦通信委會(huì)CFCC暗示其正在進(jìn)行95 GHz~3 THz的6G技術(shù)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(jīng)所起的作用那樣把現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界無(wú)需任何助力的條件下連接起來(lái)。預(yù)計(jì)不久超高速傳輸能起到像人類(lèi)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)那樣無(wú)延遲的傳輸信息,無(wú)論在世界上任何地方都能真實(shí)的快速選人、物的信息。目前世界各國(guó)已經(jīng)圍繞6G的導(dǎo)入開(kāi)展多方面的競(jìng)爭(zhēng)。
日本總務(wù)省將下一代5G命名為“Beyond 5G”(超越5G),召開(kāi)了“Beyond 5G戰(zhàn)略” 座談會(huì),并探討了日本今后社會(huì)的改善問(wèn)題。圖2是日本總務(wù)省有關(guān)以信息化為基礎(chǔ)預(yù)測(cè)6G路線(xiàn)模型圖。
圖2 至6G路線(xiàn)
增加信息傳輸量和數(shù)據(jù)的處理量是實(shí)現(xiàn)高度信息化社會(huì)的必然趨勢(shì),隨著IoT(物聯(lián)網(wǎng))的不斷向前推進(jìn),可以說(shuō)通過(guò)5G、6G處理數(shù)據(jù)的量呈現(xiàn)爆炸式增加的態(tài)勢(shì),這些數(shù)據(jù)如果不及時(shí)處理快速傳輸和靈活應(yīng)用,那就沒(méi)有任何意義可言。要想提供并獲得實(shí)時(shí)信息,就必須對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理和高速傳輸,可以說(shuō)對(duì)數(shù)據(jù)高速運(yùn)算處理并及時(shí)瞬間高速傳輸之間相互配合是十分重要的問(wèn)題。數(shù)據(jù)的處理是通過(guò)半導(dǎo)體進(jìn)行運(yùn)算處理,其高速化地運(yùn)算處理是與時(shí)代同步發(fā)展進(jìn)步的。時(shí)至今日,普通電腦所安裝的1G功能半導(dǎo)體,連接半導(dǎo)體的電路傳輸損耗和延遲仍然是存在的問(wèn)題之一。也就是說(shuō)印制板的信號(hào)傳輸性能并未緊緊追趕上半導(dǎo)體的前進(jìn)步伐。今后提高印制板的信號(hào)傳輸性能是適應(yīng)高速信息化社會(huì)電子產(chǎn)品需求的重要課題。
過(guò)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(shù)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(shù)脂基材與電路銅箔的黏結(jié)需要通過(guò)對(duì)銅箔黏結(jié)面進(jìn)行處理使之表面有數(shù)微米凹凸。
眾所周知,流經(jīng)電路的電信號(hào)傳輸速度與介質(zhì)材料的介電常數(shù)(Dk)成反比,而傳輸損耗又受到介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗因數(shù)和電路導(dǎo)體的導(dǎo)電率及其表面粗糙影響。電流流動(dòng)有趨膚效應(yīng),流動(dòng)電流的頻率越高受到趨膚效應(yīng)的影響就越大,見(jiàn)圖3所示。
圖3 趨膚效應(yīng)
如將電流流過(guò)的有效表面的厚度稱(chēng)為表皮厚度,則頻率越高其值越小,銅導(dǎo)體電路時(shí)頻率1 GHz表皮厚度為2 μm;當(dāng)頻率10 GHz時(shí)表皮厚度為0.66 μm;當(dāng)頻率100 GHz時(shí)其值約為0.21 μm。電路表面實(shí)施鍍覆Ni/Au處理也會(huì)有令人擔(dān)心導(dǎo)體損耗問(wèn)題。電路導(dǎo)體表面的粗糙度與傳輸損耗密切相關(guān),導(dǎo)體表面越粗糙損耗也就越多。因此,應(yīng)用于高頻的印制板所使用的基材要具有低介電常數(shù)和低介質(zhì)損耗因數(shù),而且基材還應(yīng)在使用環(huán)境條件下具有穩(wěn)定性能,這一點(diǎn)也是十分重要。從降低導(dǎo)體損耗角度來(lái)說(shuō),高導(dǎo)電率導(dǎo)體和其表面平滑同樣都很重要。一般的環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)印制電路板和聚酰亞胺樹(shù)脂撓性電路板在應(yīng)對(duì)高頻用途方面今后還有許多各類(lèi)問(wèn)題需要解決。
在選擇應(yīng)用于高頻覆銅板時(shí),必定會(huì)遇到介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。所謂介電常數(shù)(ε)是指物質(zhì)所帶電荷感應(yīng)極化所引起的物質(zhì)物理特性變化程度的參數(shù)。我們一般常用相對(duì)介電常數(shù)表征電介質(zhì)或絕緣材料的電性能。相對(duì)介電常數(shù)是在規(guī)定形狀電極之間的物質(zhì)電容量與相同電極之間為真空時(shí)的電容之比,它是無(wú)量綱量。我們印制板用覆銅板的“介電常數(shù)”大多都是指相對(duì)介電常數(shù)。介質(zhì)損耗因數(shù)(有時(shí)又稱(chēng)介質(zhì)損耗角正切)是指介質(zhì)體內(nèi)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(wèn)題,目前FR-4仍是最主要的所用基材。FR-4不僅介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)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(hào)傳輸速度與介電常數(shù)相關(guān),介電常數(shù)越小,傳輸速度越高;介質(zhì)損耗因數(shù)大將會(huì)吸收微波信號(hào),就不能有效地傳輸信號(hào),頻率越高這種現(xiàn)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(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)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(shù)、傳輸損耗與介質(zhì)損耗因數(shù)關(guān)系。
圖4 基材介質(zhì)特性和傳輸性能的關(guān)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(shù)脂(M-PPE)、BT樹(shù)脂(雙馬來(lái)酰亞胺三嗪樹(shù)脂)、低介電聚酰亞胺樹(shù)脂等。近來(lái)都圍繞多種多樣低電常數(shù)和低介質(zhì)損耗因數(shù)的樹(shù)脂開(kāi)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(diǎn)是必要的。
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(jìn)行鍍覆,在進(jìn)行孔金屬化時(shí),要想在具有疏水性的PTFE表面進(jìn)行化學(xué)鍍,首先必須對(duì)其表面進(jìn)行改質(zhì)處理以使其具有良好的潤(rùn)顯性?,F(xiàn)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(shù)大都并非是一般的技術(shù)問(wèn)題。日本株式會(huì)社潤(rùn)工開(kāi)發(fā)出了商標(biāo)為gjトf(wàn)flェジチPEFE表面處理劑,它是利用脫氟導(dǎo)入親水性官能基并使其表面粗化從而就可以進(jìn)鍍覆。近年來(lái)有的研究了利用各中氣體等離子體在真空中進(jìn)行實(shí)用化處理。近來(lái)正在進(jìn)一步研究確認(rèn)采用脫氟后使之形成氨基,并賦予親水性作為氟樹(shù)脂表面鍍覆前處理的有效性問(wèn)題。另外,目前還圍繞低輪廓銅箔仍然能保持高粘結(jié)強(qiáng)度的覆銅板開(kāi)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(jìn)行化學(xué)鍍形成導(dǎo)體則金屬的沉積和附著性較差,化學(xué)鍍前首先需要對(duì)其表面用氫氧鉀水溶液或水合乙二胺水溶液等進(jìn)行改性處理,近來(lái)還有采用等離子體處理和用紫外線(xiàn)照射其使其表面形成羧基官能團(tuán)賦予親水性后再進(jìn)行化學(xué)鍍的研究報(bào)告。
PPE樹(shù)脂是低Dk、低Df、低水性熱塑樹(shù)脂,對(duì)其耐溶劑、耐熱進(jìn)行改良成為熱固性的改型PPE樹(shù)脂(mPPE),可作為印制板用CCL(撓性覆銅板)的樹(shù)脂。金屬化孔前首先要對(duì)孔進(jìn)行除鉆污處理后再化學(xué)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(shù)。
BT樹(shù)脂是1974年三菱瓦斯化學(xué)(株)開(kāi)發(fā)出來(lái)的耐熱聚合型熱固樹(shù)脂,它是由三嗪樹(shù)脂和雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂組成,過(guò)去主要是用于半導(dǎo)體封裝。期望其能成為適合高頻用途的低介質(zhì)損耗樹(shù)脂,并能適合采用現(xiàn)有的包括除鉆污處理在內(nèi)的常規(guī)金屬化孔工藝。
顯示與氟樹(shù)脂有近似介質(zhì)特性的樹(shù)脂有烯烴類(lèi)樹(shù)脂、環(huán)烯類(lèi)聚合物(COP,Cyclo-Olefin Polymer)。當(dāng)初開(kāi)發(fā)意圖是作為光學(xué)用途塑料,由于其難于適應(yīng)作為有回流焊要求的撓性板基材,而近年來(lái)開(kāi)發(fā)出了改性耐熱結(jié)晶性COP,但若采用常規(guī)的鍍覆工藝直接在COP上化學(xué)鍍是很難的,但通過(guò)對(duì)其表面實(shí)施紫外線(xiàn)照射,使其表面形成有羧基官能團(tuán)等的改質(zhì)層,就可能在其表面進(jìn)行化學(xué)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(xiàn)、高頻高速印制板用基材。
由于傳輸信號(hào)有趨膚性,而且傳輸率越高,就越趨向在導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?。?dǎo)體表面的粗糙度與導(dǎo)體傳輸?shù)膿p耗密切相關(guān),導(dǎo)體表面越粗糙傳輸損耗就越多。在微帶結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合下,易于信號(hào)在電路下部傳輸。因考慮導(dǎo)體與基材的黏結(jié)強(qiáng)度問(wèn)題,導(dǎo)體表面有數(shù)微米凹凸的粗糙度,會(huì)因錨固作用增大導(dǎo)體與基材的黏結(jié)強(qiáng)度。觀(guān)察銅箔粗糙輪廓轉(zhuǎn)移至樹(shù)脂面的痕跡,其凹凸程度與電路內(nèi)側(cè)粗糙形貌相一致。圖5所示是采用減成法形成的電路與樹(shù)脂面黏結(jié)的錨固作用的效果圖。當(dāng)電路表面微細(xì)凹凸時(shí),電流將沿著凹凸部位流動(dòng)。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(dǎo)體界面粗糙度與導(dǎo)體損耗的關(guān)系。理想的是如鏡面那樣平滑。然而平滑的導(dǎo)體表面其黏結(jié)力又是令人擔(dān)心的問(wèn)題。所以研究開(kāi)發(fā)新的技術(shù)方法尤為重要。關(guān)東學(xué)院大學(xué)材料.表面工程學(xué)研究所研究了采用紫外線(xiàn)(UV)照射低Dk、低Df樹(shù)脂材料的平滑表面進(jìn)行制作電路的方法。如前述對(duì)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(guān)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(zhǎng)紫外線(xiàn)燈光對(duì)材料表面照射數(shù)分鐘進(jìn)行改質(zhì),得到厚度50~100 nm的官能基改質(zhì)層。形成改質(zhì)層后,采用常規(guī)的化學(xué)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(qiáng)度達(dá)到8 N/cm。黏結(jié)機(jī)理如圖9所示。改質(zhì)層浸催化劑,浸入鍍液沉積金屬銅,銅面有納米級(jí)的錨固效果。測(cè)試顯示改質(zhì)層對(duì)傳輸損耗沒(méi)有影響,測(cè)試電路界面導(dǎo)電率結(jié)果如圖10所示。圖11是在平滑樹(shù)脂表面單向化學(xué)鍍電路圖。
圖7 UV改質(zhì)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(jié)合的機(jī)理
圖10 COP平滑表面上形成電路的界面導(dǎo)電率
圖11 絕緣樹(shù)脂平滑表面上單向電鍍的電路
在多層電路板內(nèi)層電路(帶狀線(xiàn))場(chǎng)合,為了提高導(dǎo)體與半固化樹(shù)脂黏合強(qiáng)度,需要對(duì)銅箔表面進(jìn)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(duì)相關(guān)的技術(shù)方法進(jìn)行探討,如在銅表面涂布打底涂膜。
應(yīng)對(duì)高頻電路的形成除要求電路表面要平滑外,導(dǎo)體的高導(dǎo)電率也是很重要的。在樹(shù)脂表面所形成鍍覆層由于要作為信號(hào)通道的電路這就需其要有良好的導(dǎo)電率。我們測(cè)試了多種化學(xué)鍍銅膜和濺射銅膜的導(dǎo)電率,測(cè)試結(jié)果顯示濺射形成的銅膜導(dǎo)電率最優(yōu)。我們分析認(rèn)為這并非偶然的差別,可能是鍍液中混入不純物質(zhì)或氫,從而影響了化學(xué)鍍銅膜的導(dǎo)電率。研究提高化學(xué)鍍銅膜的導(dǎo)電率依然是今后研發(fā)的課題之一。
無(wú)電解鍍(又稱(chēng)化學(xué)鍍、化學(xué)沉積、無(wú)電沉積)一般用鈀Pd作催化劑,近來(lái)不斷增多應(yīng)用的半加成法(SAP)也存在Pd殘?jiān)膯?wèn)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(shí)也在將價(jià)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(wú)需擔(dān)心殘?jiān)鼏?wèn)題,從而也可以提高電路間的絕緣可靠性?,F(xiàn)在正專(zhuān)心致力于量產(chǎn)技術(shù)的研究,降低生產(chǎn)成本也是十分重要的問(wèn)題。在常規(guī)技術(shù)工藝中,采用感光法形成電路,由于其流程繁多,會(huì)對(duì)成本產(chǎn)生很大的影響。因而我們正在開(kāi)發(fā)采用僅對(duì)形成電路處部位的樹(shù)脂表面進(jìn)行UV照射改質(zhì),化學(xué)沉銅時(shí)銅也就只在改質(zhì)的部位沉積形成電路的技術(shù)。通?;瘜W(xué)鍍銅對(duì)銅的沉積也會(huì)向縱橫兩個(gè)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(dá)到單向銅沉積目的。使用這一技術(shù)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(xiàn)在正圍繞量產(chǎn)技術(shù)而努力。圖11所示的是有選擇地對(duì)電路形成處樹(shù)脂表面進(jìn)行UV照射,改質(zhì)后在平滑樹(shù)脂表面單向化學(xué)鍍銅所形成的電路。
5G時(shí)還剛剛開(kāi)始,就已著手下一代“Beyond 5G(6G)”的研發(fā)工作。未來(lái)更高頻的傳輸是必然的趨勢(shì),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(dǎo)電率的電路、微孔金屬化、電路表面化學(xué)鍍Ni/Au等要達(dá)到理想的狀態(tài),有關(guān)的“化學(xué)鍍”課題仍有不少。面對(duì)未來(lái)6G時(shí)代,期望包括鍍覆表面處理技術(shù)、布線(xiàn)加工技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)等各專(zhuān)業(yè)部門(mén)能協(xié)同進(jìn)行研發(fā)。本文譯自:JPCA news No.638 2021.11
譯者的話(huà):5G時(shí)代的到來(lái),人們對(duì)印制電路板的認(rèn)識(shí)有了重大變化,充分認(rèn)識(shí)到像CPCA王龍基名譽(yù)秘書(shū)長(zhǎng)在2022第一期《印制電路信息》雜志刊首語(yǔ)中所寫(xiě)的“印制電路板(PCB)是電子產(chǎn)品的之母”、是“芯片縮小的PCB;PCB是放大的芯片”。無(wú)論多么高級(jí)的計(jì)算機(jī)沒(méi)有軟件系統(tǒng)都是無(wú)用的,只能稱(chēng)其是一個(gè)“盒子”,同樣無(wú)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(huì)發(fā)揮任何功能。只有將其安裝在印制電路板應(yīng)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(dòng)作。有人將元器件、集成電路與印制電路板的關(guān)系稱(chēng)作“毛與皮的關(guān)系”,它們必須生長(zhǎng)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(shuō),但仍有個(gè)別地方政府相關(guān)部門(mén)并不待見(jiàn)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(lái)的。衷心希望這些人少些應(yīng)酬,多走走企業(yè),多聽(tīng)聽(tīng)行業(yè)協(xié)會(huì)的意見(jiàn),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(chǎn)的笑話(huà)。
5G 時(shí)代的到來(lái),6G時(shí)代也正積極向前推進(jìn),對(duì)我們印制電路行業(yè)(現(xiàn)已改為電子電路行業(yè))來(lái)說(shuō),還有不少技術(shù)(其中包括鍍覆技術(shù))問(wèn)題仍需下功夫去開(kāi)發(fā),任重道遠(yuǎn),仍須努力!