日本挠性印制电路板用原材料技术的新发展--FPC用铜箔的技术发展

日本挠性印制电路板用原材料技术的新发展--FPC用铜箔的技术发展

1．挠性基板使用的铜箔
1．1铜箔的类型
铜箔是制造挠性印制电路板的重要导电材料。用于挠性印制电路板（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，它适用在FPC的品种，按IPC标准中有三个；它们的类型编号分别为No.1；No.3；No.10，另一类是压延铜箔，它适于用在FPC的品种，分别为No.7；No.8。两类铜箔的品种、特性，见表1所示。目前在挠性印制电路板的制造中，还很大部分是使用压延铜箔。压延铜延铜箔的各个品种与特点见表2所示。
表1.挠性印制电路板主要所使用的各类铜箔的品种及特征。
表2.压延铜箔的各种品种与特点
电解铜箔的生产，是在金属钛的阴极辊上，通过电镀而形成铜箔，并连续的将它从阴极辊上剥离下，收成卷状。压延铜箔的生产，是以约20CM厚的铜金属块（铜锭）为母材，反复的压延，进行退火，最后形成所需要箔厚规格的延铜箔。电解铜箔和压延铜箔由于在制法上的不同，使得它们的许多特性是有所不同的。这主要表现在机械特性、挠曲特性等方面。
1．2.铜箔的金属组织
一般讲，挠性印制电路板的制造，是将涂布有粘合剂的树脂薄膜与铜箔叠合在一起，进行高温高压的层压加工。压延铜箔的金属组织，由于有了这一个热加工（可看作是热处理）的过程，使得铜箔的金属组织又进行了再结晶。再结晶后的压延铜箔表现出非常的柔韧。又正因为这一特性，它多用在有基材柔韧要求的FPC之中。在此点上电解铜箔与压延铜箔有着明显的区别。图1所示了热处理前后两类铜箔的金属组织变化的情况。
从图1中的两类铜箔的部面组织可以观察出它们的差异：一般电解铜箔（不含低轮廓铜箔）在厚度方向呈现出柱状结构组织发达的特性。在挠曲时，通过在术柱状结构组织的粒子界面的裂纹的逐渐传播，在铜箔进行折动挠内运动的较早期时，就会造成铜箔的结构破坏。压延铜箔由于是通过辊压成形的箔，从而构成的结构组织呈薄层状，再经热处理，产生了成为等方的再结晶组织变化。这种结构组织的等方性，不会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。

1．3.铜箔的挠曲性
图2。表示了用于对挠曲性评价的测试装置。测定中，对铜箔弯折的曲率半径为2.5μm（在铜箔厚度为35μm的情况下）。处理温度是按照一般用户的层压加工的工艺条件，定为200℃30分。在对铜箔进行折动挠曲时，为了为使其他因素会对非常柔软的压延铜箔有所影响的，在铜箔的试样的两侧夹0.1mm厚的聚酯（PET）薄膜。通过上述的测定方法所得到的挠曲性评价结果在图3中表示。
    从图3所示的挠曲性的测试、评价的结果可以看出，在挠曲性上，压延铜箔要比一般电
解铜箔要高于4倍左右。压延铜箔在挠曲可靠性上具有很大的优势。目前，尽管有的FPC
在制造中，根据降低成本的需要，采用了具有高延展性的特殊电解铜箔，但是两类铜箔在挠
曲性上是有很大差距的，同时考虑到这个特性在铜箔各个部位的分散性问题。为此为了保证
FPC高的挠曲可靠性，压延铜箔的使用前景仍是很广阔的。
2．对铜箔的要求特性
    当前，许多电子产品向着薄轻短小化的方向发展。以移动电话产品为引导，今后将会在
众多的携带型电子产品中会更加广泛的采用挠性印制电路板。在这类的电子产品中的FPC，
对所用铜箔的特性要求更加严格。其中突出表现在以下两个方面。
    ①高挠曲性。
    ②便于形成微细电路图形。
   除了满足上述的重要特性外，现实生产FPC还要重点考虑铜箔的可操作性、成本性。而
在电解铜箔应用于FPC制造中，却具有低成本、大面积等的优势。
   2．1．挠曲性
    一些携带型电子产品对其PCB用铜箔的挠曲性有很高的要求。像移动电话，它的折叠部
位是使用挠性PCB进行电路的导通。由于这种FPC在应用中要反复的挠曲，因此FPC所用的
铜箔在挠曲性上的要求是十分重要的。使用在这类场合下的FPC，所选用的铜箔多为压延铜
箔。近期，日本日矿材料公司为了提高FPC的挠曲可靠性，开发出了一种高挠曲性的压延铜
箔（简称为HA箔）。从折动挠曲试验的结果显示，它比一般压延铜箔在挠曲性上又有很大的
提高（见图4的挠曲次数的对比）。
    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（见图5的两种压延铜箔的再结晶组织的情况）。像HA箔这样在
再结晶组织上具有大尺寸的特点，可使得这种铜箔在挠曲性上有很大的提高。其原因是：铜
箔表面上的裂纹是破坏铜箔的挠曲性的主要根源。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
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箔的挠曲性优于一般压延铜箔。表3所示了
HA箔的一些主要特性。
   2．2．微细电路图形化
    众多采用FPC的电子产品向着高密度安装、多功能化的方向发展，使得所的FPC在电路
图形的制作上更加微细化。以移动电话产品为例，它正向着液晶画面大型化、有摄像设置、
动画画面等的多功能化方向进展。移动电话使用的COF（chip on flexible printed circuit，
在挠性印制电路板上的芯片）的布线间距更强烈的要求微细化，2002年间，在规模化生
产的COF的FPC，尖端技术是它的布线间距已达到40-50。预测到2003年，布线间距可
缩下到30，导线电路宽为   l的COF将会投入工业化的生产。
    在开发微细电路图形的FPC中，就铜箔的方面而言，主要表现有在以下三个特性要求上：
    ①铜箔粗化面（即M面）的低粗轮廓度；
    ②铜箔的簿箔化；
    ③机械强度高（改善它的操作性）。
    （1）铜箔粗化面（即M面）的低轮廓度
    粗化面（即M面）为低粗糙度的电解铜箔，实际上就是低轮廓铜箔（简称为LP或VLP
铜箔）。电解铜箔M 面的粗糙度大小，一定程度地是由生箔的粗糙度大小的所决定的。一般
的电解铜箔，为了得到与树脂有着很高的粘接强度的特性，因而在生箔制造过程中，在它的
M面一侧形成了凹凸表面形状。成卷的生箔，还要在表面处理机上实施表面的粗化处理（又
称为瘤化处理）。经表面粗化处理后，电解铜箔的粗化面表面呈“菜花状”。以工艺制造的不
同，可将低轮廓的电解铜箔划分为两类。一类是在生箔制造中降低M面粗糙度的类型，另一
类是在生箔制造中和表面粗化处理中都降低M面粗糙度的类型。后一类的低轮廓度铜箔要比
前一类低轮廓铜箔，表现出更加低的M面粗糙度。以日本日矿材料公司的低轮廓的电解铜箔
为例，牌号为JTCAM箔是上述的前一种类型的低轮廓铜箔（只降低了生箔的M面粗糙度），
牌号为AMFN箔是上述的后一种类型的低轮廓铜箔（生箔制造和表面处理的过程中都降低了
M面的粗糙度）。表4所示了这两类低轮廓铜箔与一般电解铜箔的特性对比。图6所示了铜
箔M面及铜箔经电路蚀刻后的表面的SEM照片
近年来，适于PCB电路图形的微细化的低轮廓铜箔制造技术及应用，不仅在电解铜箔方
   面获得很大的进展，而且在压延铜箔方面也出现了开发成果。压延铜箔在制造中，通过被研
   磨过的辊所进行压延加工，就可以达到比一般电解铜箔更低的表面粗糙度，并且表面粗糙度
   十分均一。再将这种压延铜箔，进行微细的粗化处理和防氧化处理，制成适用于微细化电路
   图形FPC的压延铜箔。这种新型的表面粗糙度低的压延铜箔，目前正在新一代COF上和高频
   电路的FPC上得到试用。
      （2） 铜箔的簿箔化
    铜箔厚度对FPC的电路形成的微细程度有着较大的影响。铜箔越薄越有利于微细电路的
形成。例如，18厚的铜箔，形成电路导线为20宽是很困难的，它的尺寸精度是很难达到
的。因此，在使用厚铜箔（如35、18铜箔）制作微细电路时，目前往往是在制作微细电
路之前，采用微蚀刻工艺先将铜箔厚度减薄。这样就增加了制作电路图形的工序。为了减少
制作中的工序过程，日本有的PCB厂家己经开始采用更薄的铜箔。如在COP制作上采用了12
铜箔。有的铜箔厂家还生产出g铜箔提供给PCB厂家，在生产COF中进行试用。
    （3）铜箔的高机械强度
    表4所示了这两类低轮廓铜箔与一般电解铜箔的特性对比，可以从表4中看出：低轮廓
电解铜箔一一JTCAM箔（LP箔）、AMFN箔（VLP箔）在机械强度特性上要比一般电解铜箔高出
40 ％。低轮廓电解铜箔的机械强度的提高，对于防止今后挠性 PCB实现薄箔化所带来的容易
发生铜箔皱折问题，是很有效的。同时，由于铜箔自身强度的提高，对于外来异物等对铜箔
表面的划伤，起到有效的阻碍作用。从而也提高了FPC的生产合格率。
3．压廷合金箔
    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
开发的具有高机械强度的低轮廓电解铜箔（牌号JTCAM、AMFN）。而压延铜箔是一般通过使
它的原铜材料（母材）的合金化，来解决机械强度提高的问题。采用这条路线去改善机械强
度，对于电解铜箔是很难达到的。
   表5所示了日本日矿材料公司近年开发出的高性能压延铜合金箔的品种、主要特性。
    表5中所示的C7025和NK120两种铜合金箔，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、高弹性为显著性能特点的。自几年前起，日本在硬盘驱
动器（HDD）带状引线上的挠性电路基板材料己经开始采用了C7025的18铜合金箔。在
这类IT产品中，目前使用的NK120的18铜合金箔，己进入了批量试用、性能评价的阶
段。HS1200铜合金箔的导电率在90％以上，接近于纯铜的材料。它的机械强度比一般压延铜
箔要高出几倍，且在热态下表现稳定。图7所示了一般压延铜箔与HS1200压延铜合金箔在
热态下机械强度的对比。在30分钟内温度升到400℃的处理环境下的两种抗拉试验结果证
明，HS1200铜合金箔在2温度条件下具有高的软化温度特性。正因如此，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12及9厚度规格的这种铜合金箔的二层型的挠性覆铜板，
也正在开发之中