挠性PCB用基板材料的新发展—FPC用压延铜箔部分

挠性PCB用基板材料的新发展—FPC用压延铜箔部分

时间：2007年11月23日（文章来自PCB技术网，若有侵权，请通知删除本文）

1． 压延铜箔产品的概述

     1．1   FPC用压延铜箔的型号     

      铜箔是制造挠性印制电路板（FPC）的重要导电材料。用于FPC的铜箔，按照IPC-4562（2000.5版）所规定铜箔产品类型分类 , 主要有两大类、五个品种。其中一类是电解铜箔，适用于FPC电解铜箔的品种，在IPC标准中有三种：它们的类型编号（电解铜箔在IPC标准编号中，以后缀“E”来表示）分别为：No.1（标准电解铜箔，型号STD— E）；No.3（高延伸性电解铜箔，型号HTE— E）； No.10（可退火电解铜箔，型号LTA—E）。另一类是压延铜箔，它在IPC标准编号中以后缀“W”来表示，适于在FPC中使用的压延铜箔的品种分别为： No.7（退火压延铜箔）和No.8（可低温退火压延铜箔）。压延铜箔的各个品种、特性，见表1所示。目前在挠性印制电路板的制造中，由于压延铜箔可以满足高挠曲性的需求，因此还有很大部分的FPC是使用这类铜箔。

      本篇重点介绍FPC用压延铜箔的特性及品种的新发展。在本连载文章的下一篇，将重点阐述FPC用电解铜箔。

表1. 挠性印制电路板使用的各类压延铜箔的品种及特征

       注：表中IPC；的标准号：IPC-4562（2000）；JIS的标准号：JIS – C -6515 （1998）；IEC的标准号：IEC 1249-5-1（1995）；GB的标准号：GB/T 5230（1992）。以上四个编号的铜箔标准，也是现行的压延铜箔的主要采用的性能标准。

       1．2 压延铜箔的制造

       压延铜箔（rolled-wrought copper foil）的生产过程为：先由铜矿石（CuFe 2）提炼出粗铜。然后经过熔炼加工、电解提纯使它的纯度达到99.9%。并制成约2mm厚的铜锭。以它作为母材，再经酸洗、去油，反复多次在800℃以上高温度下进行热辊轧、压延（长方向的）加工。AN-W 型压延铜箔在此加工之后，进行高温退火，达到再结晶软化，再进行冷压延。如此加工反复进行至到其要求的厚度。而LTA-W型压延铜箔在高温辊压、压延加工之后，只进行冷压延加工。

      当以上两类压延铜箔制成为厚度小于0.1mm的生箔后，再在它的表面进行粗化处理、耐热层处理、防氧化处理等一系列的表面处理。压延铜箔的生产过程示意图，见图1所示。

图1   压延铜箔的生产过程示意图

      压延铜箔生产厂的建立, 是个投资巨大, 生产的工艺控制及生产环境设置等均为难度高的项目。因此尽管近几年来压延铜箔世界市场需求一直处于很高的势态下，但内仍未有新的压延铜箔生产厂家的建立。目前世界仍保持着与十年前一样的生产格局（只不过有的厂家有所扩产）——以日本日矿公司、美国奥林公司（Olim）、日本福田金属箔粉公司等为世界主要压延铜箔的生产厂家。

       1． 3   压延铜箔的品种

       目前，除了一般压延铜箔品种之外，还有高挠曲性压延铜箔、高机械强度（压延铜合金箔）压延铜箔、薄型化压延铜箔等品种。

       压延铜箔所采用不同的耐热层表面处理。可根据耐热层表面处理不同方式，划分为多个压延铜箔品种。目前常用的有三个不同表面处理的压延铜箔品种，即BHY、BHN、BHC（见表2）。
表2. 压延铜箔按不同耐热层的表面处理划分的各种品种

        2． 压延铜箔的特性

        2．1． 压延铜箔的基本特性

        在覆铜板最初的生产时期，世界上大多数都是使用压延铜箔。发展到20世纪60年代末至70年代初，由于它在幅宽（目前可工业化生产的最大宽度在550—800mm范围内）上难于满足大面积覆铜板生产的需要，且在成本上也较高，因此目前在刚性覆铜板的生产中，开始不再大批量采用压延铜箔，而是采用电解铜箔。但是，由于压延铜箔属于片状结晶组织结构，因此在柔韧性方面要优于电解铜箔，所以压延铜箔大多用于挠性印制电路板中。

        此外，由于压延铜箔的致密度较高，其生产方式决定了它的表面具有均一的平滑性。所制出的压延铜箔生箔，其表面粗糙度（Rz）只有1μm，而一般电解铜箔生箔的表面粗糙度Rz则为5μm。正因压延铜箔有此优点，用它作为PCB的导电层，可以克服在频率1GHz以上条件下的电流通过导电层时所产生的“表皮效果”，减少产生的阻抗，有利于信号的快速传输。因此在高频高速传送、精细线路的PCB中，近年也开始使用一些压延铜箔。另外，根据压延铜箔的这一优势，在二层型FPC中，甚至现已开始试用不作表面粗化处理的压延铜箔。

        2．2． 压延铜箔的主要特性指标

       表3给出了电解铜箔、压延铜箔产品的世界主要权威标准所规定的特性指标。表4给出了这两类铜箔的主要特性项目的实际值（实际值与标准指标值是有较大的差别）。

表3. 权威标准定对两类铜箔所规的主要特性指标

      注：电解铜箔采用标准型（STD-E）铜箔；压延铜箔采用退火铜箔（AN-W）
本表引用了IPC-MF-150标准、IPC-4562（2000.5）标准、JIS-C-6515(1998)标准,而制成。

表4.   电解铜箔、压延铜箔主要特性项目的实际值。

       2．3．抗张力、挠曲性

      经过热处理30分钟后的压延铜箔，在低温下（150℃下）它的抗张力有大幅下降的趋势。这是压延铜箔在性能上电解铜箔所不具备的一个重要特点。例如：压延铜箔抗张力（N/mm2   ）：420（25℃下）→ 370（100 ℃下）→ 210 （150℃下）→ 205（200℃下）。标准电解铜箔（STD - E 型）抗张力（N/mm2   ）：375（25℃下）→ 360（100 ℃下）→ 350 （150℃下）→ 300（200℃下）。三种不同铜箔的在不同温度下的抗张力变化见图2。

图2. 在不同温度下三种不同铜箔的抗张力变化

       一般标准电解铜箔 (不含低轮廓铜箔 ) 有着在厚度方向呈现出柱状结构组织发达的特性。在200℃，30分钟的热处理（模拟FPC压制成形加工条件）下其金属结晶组织基本不发生变化。两种铜箔的经200℃，30分钟处理的前、后的金属组织的情况见图3。

（1）一般电解铜箔                               

     （2）压延铜箔
        图3   两种铜箔的高温处理后的金属组织变化情况

         电解铜箔在反复折动挠曲测试时，通过在柱状结构组织的结晶粒界面的裂纹的逐渐传播，在铜箔进行折动挠曲运动的较早期时，就造成铜箔的结构破坏。压延铜箔由于是通过辊轧成形的箔，从而构成的结晶结构组织呈薄层状，再经热处理（200℃/ 30分），金属结晶组织因进行再结晶而发生显著的变化，产生了等方的再结晶金属组织结构。这种金属组织结构的等方性，不传播粒子界面内的裂纹，从而在耐挠曲性上表现得特别的高。特殊电解铜箔（多为低轮廓铜箔），尽管在热处理后也发生再结晶，但它的柱状结构组织的仍有残留。因此在挠曲性上与压延铜箔仍还有不小的差距。图4所示了上述三种铜箔经热处理后的剖面金属结晶组织情况。

图4.   三种铜箔经热处理后的剖面金属结晶组织对比（╳1000倍）

       经折动挠曲性的测定（试样均为35µm厚及经200℃/ 30分热处理、曲率半径2.5nn, 行程25mm）, 压延铜箔为11600次, 特殊电解铜箔为5233次, 标准电解铜箔为2560。从挠曲性的测试、评价的结果可以看出：压延铜箔在挠曲性上，要比一般电解铜箔要高于4倍左右。它的挠曲可靠性具有压倒性的优势。

       3．   压延铜箔近年的开发进展

       3．1 压延铜箔技术进展的总述

       电解铜箔和压延铜箔在制造工艺上有很大的差异。电解铜箔是利用电化学原理，通过铜电解而生成。影响它的结晶组织各异的主要因素，有　①电解液的铜浓度、流酸浓度、添加剂种类；②电解液的温度及流量；③ 电解中的电流密度等。近年电解铜箔品质的提高及品种的出新，往往是改善了它的电解工艺的条件（最重要的是：影响工艺条件的新型添加剂的开发）来达到它的结晶粒的更加微细化、高强度化等。

        而压延铜箔是通过连续的压延工程，达到对铜母材的塑性压延加工而生成的。从冶金学角度看，形成压延铜箔的原材料（母材）的选择（化学成分的组成）、塑性压延加工的程度、主要决定不同结晶粒等金属组织形成的退火工艺条件的改变，是得到不同机械性能、物理性能的压延铜箔的关键因素。也就是主要从以上三方面的改善，去寻求提高压延铜箔性能的技术突破。近年来，以COF为代表的形成微细电路FPC制造技术上的新发展，以及折叠型移动电话使用FPC对其挠曲性提出更高的要求，促使压延铜箔的制造技术有了重大的新发展。这一发展，主要表现在它的高挠曲性压延铜箔产品、具有高机械强度的压延铜合金箔产品以及极薄压延铜箔产品（12µm箔已成为商品化、9µm也正在开发之中）的问世。

       由于在压延铜箔的原材料成分可以得到一定改变，使得它在高性能箔、特殊性能箔的开发上，今后或许还会比电解铜箔有更大的自由度和更快的进展。

       3．2 高挠曲性压延铜箔

        通过在电子显微镜下对HA箔表面的金属组织观察，可以看出HA箔的再结晶组织的尺寸比一般压延铜箔要大的很多。这种金属组织特点的压延铜箔，在挠曲性上有很大的提高。挠曲次数高于一般压延铜箔的4倍。其原因是：在反复对铜箔进行折动挠曲的运动中，铜箔表面上的裂纹的出现、扩展 ，最后的结果是致使铜箔撕裂（或断裂）。铜箔表面裂纹的产生条件之一，是有结晶粒界的存在。裂纹是从结晶粒界上而出现的。在铜箔的再结晶组织很大的情况下，结晶粒界大大的减少，这样就降低了裂纹产生的机会。另外，HA箔的再结晶的呈立方体集合组织，有着高取向性，因此它的结晶粒界机械强度要比一般压延铜箔高，从而也减少了裂纹的产生和扩展。上述的两个原因，都使得HA箔在挠曲性优于一般压延铜箔。表5所示了HA箔的一些主要特性。

        5. HA箔的一些主要特性与一般压延铜箔的对比

       3．3. 高机械强度的压延合金箔
   

       在改善印制电路板用铜箔的机械强度方面，电解铜箔与压延铜箔在技术路线上是有所各异。电解铜箔是通过开发出的结晶粒小、低轮廓的铜箔，来提高其机械强度。例如上述的日矿材料公司的具有高机械强度的低轮廓电解铜箔（牌号JTCAM、AMFN）。而压延铜箔是一般是通过反复辊轧铜母材——铜锭制成的铜板而生成的压延铜箔产品。因此，在溶解铸造母材时，加入部分的铜合金材料，使它组成成分成为铜合金化，以此来解决它的机械强度低的问题。在这点上，电解铜箔是很难达到的。表6中所示了三种日矿材料公司的压延铜合金箔主要特性。
         表6 可用于印制电路板的高性能铜合金箔的品种、主要特性

        以上三种压延铜合金箔有着各自的性能特点，从在使用领域上也有差别。原有HS1200铜合金箔，它的导电率在90% 以上，接近于纯铜的材料。它的机械强度比一般压延铜箔要高几倍，且在热态下表现稳定。 一般压延铜箔与HS1200铜合金压延箔在热态下机械强度的对比。在30分钟内温度升到400 ℃的处理环境下的抗拉试验结果证明，HS1200铜合金箔在200℃温度条件下的半软化点要高。由于HS1200铜合金箔具有高的软化温度特性，它在应用于二层型的挠性覆铜板的制造中，可适合于工艺加工（在300℃以上）的要求。即在高温度下保持高的机械强度。目前用于12μm及9μm的这种铜合金箔的二层型的挠性覆铜板，也正在开发之中。

         后两种压延铜合金箔，是专门为引线框架的IC载板所提供的铜箔。它们都是以高导电性、高强度、高弹性为性能特点。近年来，已经在日本产的硬盘驱动器（HDD）带状引线上的挠性电路用挠性覆铜板上，开始采用了C7025的18μm铜合金箔。在这类IT产品中，目前使用的NK120的12μm铜合金箔，已进入了批量试用的阶段