PVD技术在CCL中的应用研究
PVD技术在CCL中的应用研究
摘 要
文章论述了运用先进的物理气相沉积(PVD)制造薄铜箔覆铜板技术，提供了新的电路板材。
关键词 电路板；物理气相沉积；2FCCL
Application Research 0n PVD Technology in CCL Fields
YAN Guang-neng
Abstract The paper describes the copper foil CCL with PVD technology，it is a now material for PCB production
Key words PCB；PVD：2FCCL
物理气相沉积(PVD，Phisical Vapor Deposition)是在现代物理、化学、材料学、电子学等多学科基础上，经过多年的不断发展而成为一门新兴先进的工程技术。它是将耙材(需镀薄膜材料)在较低的气体压力环境下，经过物理过程而进入气相直接沉积在衬底表面的过程。目前，PVD沉积技术有蒸镀、磁控溅射和离子镀法三种。以中频磁控溅射为例，它是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引入欲被溅射的物质做成的耙电极。在合适的离子能量条件下，入射离子在与耙表面原子的碰撞过程中将后者溅射出来。这些被溅射出来的原子带有一定的动能， 并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现薄膜的沉积。PVD是纯物理的纳米级薄膜沉积过程，因此，在制造超薄基铜、低粗糙(轮廓)度(LP)CCL和超低粗糙度(VLP)CCL具有绝对的优势。它不仅有利于PCB精细导线等的制造，还可以大大减少电解铜箔和PCB生产造成令人头痛的环境污染问题(由于CCL的基铜可以薄到lμm～2μm，减少了蚀刻和清洗产生的污染)。
1 PVD在高端CCL的优势
1．1 在超薄铜箔CCL的优势
多年来，以个人消费类为主的HDI技术向高密、薄、小、轻的方向发展，移动电话、笔记本电脑已用含微细埋、盲通孔的多层板以及BGA、CSP等有机树脂封装基板，所用的铜箔正向薄箔型、超薄箔型推进。同时，CO2激光蚀孔加工也需要基板采用极薄铜箔，以便可以对铜箔层直接加工微线、微孔。目前，我国已有厚度为9um铜箔的CCL它是通过将带载体反相处理与双面处理低粗糙度电解铜箔与半固化片绝缘材料在高温压合而成，属于中端产品，但是还没有1μm-3μm厚度的LP—CCL通过PVD技术，可以制得从lμm～2μm厚的高结晶致密度铜箔CCL同时，由于铜箔可以薄到1μm～2μm，间接减少了PCB生产中蚀刻和清洗产生的污染。
1．2 PVD在高频CCL应用的优势
1．2．1特性阻抗
直流．电的电流通过一个导体时会受到一个阻力，这个阻力称为电阻(月)。当交流电的电流通过一个导体时，同样也受到一个阻力，但所不同的是，这种阻力和前面所述的直流电流所遇到来自电阻的阻力外，还有感抗(XL)和容抗（XC)的阻力的问题。我
们知道，电流总是寻找阻抗最小的
路径。当频率达到数MHz时，最小阻抗路径变成了最小电感路径。随着交流电流通过导体，导体中心的电磁场最强，离中心越远，电磁场就越弱，这样导体中心的电感最大，离中心越远，电感就越小。这导致电流主要在接近导体外表面(即导体的肌肤)流动(趋肤效应)。随着频率增加，趋肤效应更加突出。：PCB的线路中传输的能量是一种电压与时间构成的方形波信号，它所遇到的阻力称特性阻抗。
PCB的特性阻抗(Characteristic Impedance，Z0)的高精度控制，成为了近一两年来世界覆铜箔板(CCL)业一个新的重要课题。近几年来，电子信息产品、通信产品正迅速走向高频化、高速化。特性阻抗Z0)的高精度控制，已成为了PCB及其基板材料厂家亟待解决的重要课题。
1．2．2特性阻抗的精度控制
特性阻抗与传输线的电感(L)及电容(c)大小有关，其关系式为Z0=L／C。特性阻抗是由电阻(R)、电容(C)、电感(L)等综合特性表示值，其关系式为：
Z0=[R2+( XL - XC)2]1/2。
式中：XL一一感抗；
XC——容抗。
实际上，要使电(线)路中的传输信号反射很小或不发生反射，则必须使传输线的特性阻抗值接近或等于输出及输入元件的阻抗值。可以用传输线的反射系数ρ来表示：
ρ=(Z1—Zo)／((Z1+ Z0)
式中：Z1——输出及输入元件的阻抗值；
Z0——传输线的特性阻抗值。
由上式可知：只有当Z1与Z0相等时，才不会出现反射问题。为了更好地发挥PCB的传输功能，PCB线的特性阻抗与搭载、互连在其上的IC及元器件本身的输入及输出阻抗，必须能够互相匹配，阻抗值偏差要小。也就是说，传输线的负载阻抗等于传输线的特性阻抗，因而从信号源传输到负载的能量为最大，而反射和失真均为最小，这种工作状态称为“阻抗匹配(Impedance Matching)”。只有达到阻抗匹配，才能减少在信号传输途中或终端所产生的能量反射和损失，降低杂波及串扰(Crosstalk)、杜绝失真及减少信号传输中的延迟，使信号的能量得到完整的传输。因此，就PCB的角度来看，特性阻与元件阻抗的匹配，杂波与串扰的控制，是很重要的方面，特别是在高频或高速数字信号传输技术迅速发展的今天，更加突出。同时，必须使整体(全部)组件(相对于一块PCB板而言)的传输线的性阻抗保持恒定和稳定。总而言之，Z0的匹配及总线上的稳定，都需要对PCB的Z0控制在某一精度的范围内(如：标准设计值的±10％、±7％或±5％)。综上所述，所提出的PCB在Z0精度上提高的问题，实际需要是在基板材料上得到重点解决，即
主
要依赖以环氧玻璃布基覆铜箔板(FR-4)为主体的基板材料在Z0制精度方面的
性能提高。根据目前CCL制造技术水平，作出这四个因素项目的精度范围，其分别设定：(1)绝缘层厚度，0．1 0mm±0．0 1 mm；(3)导线宽度，0．1 0mm±0．0 1mm；(4)介电常数，4．8±0．15；(4)导体厚度，0．035mm±0．005mm。各因素项目对z。精度控制的影响的百分比分别为：绝缘层厚度为63％：导线宽度为25％；导线厚度为8％；介电常数为4％。覆铜箔板(或者说多层板用基板材料)绝缘厚度的精度高低，对Z0精度控制是最重要的影响因素。
1．2．3 Z0高精度控制方面的覆铜箔板制造技术
特性阻抗控制方面的覆铜箔板制造技术，在国外是近两三年才开始被重视、开展起来的。所提高的技术途径：(1)打破传统“间歇式”的CCL生产工艺方式；(2)采用新型树脂、增强材料及新型铜箔；(3)在现有的传统工艺方式中，通过工艺性改进，提高半固化片、成型板的厚度精度。CCL制造技术的改进与创新主要包括：采用连续法、新型绝缘基板材料的重新开发、改进半固化片性能指标、降低性能值偏差、开发低流动度、高外观性能的半固化片、采用薄铜箔、采用新型低ε的增强材料(如芳酰胺纤维无纺布)降低同一块CCL的ε分散性。在配合PCB工艺方面：采用新型的半固化片材料如采用芳酰胺纤维纺布等；采用新型结构玻纤布；采用液晶聚合物薄膜作绝缘层的CCL；采用低粗糙度铜箔并用连续法生产卷状CCL提高板的尺寸稳定性；采用新型增强材料；采用低粗糙度铜箔等。
PVD制造CCL是通过带有电荷的具有一定动能的耙原子沿着一定的方向射向衬底而实现的，衬底是经过烘干的片(卷)状绝缘材料。根据设备不同把原子的能量在5～500电子伏特范围内，它具有纳米级粒子的沉积。因此，它可以避免因半固化片的流动度、性能和铜箔外观粗糙度等造成覆铜箔板精度偏差，能够制造出低粗糙度的基铜和绝缘表面。同时，依据不同沉积速度、尺寸，设计不同K度的溅射腔，现在进口的设备已经达到完全自动化生产。
1．2．4实验
(1)目的：通过PVD制造超薄低粗糙度基铜CCL
(2)工艺流程：
①设备由1个进料宰、1个缓冲室、6个溅射室和1个出料室组成。其它包括抽真窄系统、氩气流量控制系统、耙材与电源系统和冷却系统等组成。
②材料选择300mm×300mm宽、1．0mm厚的FR-4，蚀刻成光板。超声波清洗后烘2h。
③用丙酮清洗镀膜机内壁后，将光板固定在夹具里，放入进料室输送轨道，关闭真空门。
④开机械泵抽气体，真空计显示500Pa，开锣
茨
泵，离子计显示5P a，开分子泵，当真空度达0．003Pa。开中频溅射电源镀膜40min。
⑤测量的镀铜厚度分别是4．6
μm，4．6μm，4．3μm，4．3μm，4．7μm，4．6μm。金相切片用400倍放大图片如图1所示。离耙近的上下端厚度是由耙的磁场强度大、溅射多引起，可以通过挡板屏蔽来提高镀铜厚度的均匀度。
⑥通过酸性镀铜液电镀加厚到1 8μm后，测量剥离强度为1.0N／mm。
2 PVD在FCCL的应用
2．1 2L—FCCL现状
全球2L—FCCL以日本、美国和中国台湾为主要的供应国家和地区。日本生产的FCCL约占全球的二分之一市场，两层法的2L—FCCL的最大供货商为日本的Nippon Steel。美国生产FCCL的产量无明显增长趋势，但是美附有能力供应特殊用途的FCCL材料，特用材料的产品型态以片状(Sheet)居多，部分Roll材料是宽幅，美国厂商生产两层法2L—FCCL的比例较高，所以美国摆脱人量生产的方式，主要生产特殊类型的产品。中国台湾大部分FCCL厂商已将两层法2L—FCCI。列入公司发展与产品研发的重点项日，其中杜邦太巨、台虹、长捷士等的技术来源于工研院材料所，采朋涂布法制造技术，新扬及佳胜亦使用涂布法制备，造利与律胜则投入研发溅镀法。
三种2L—FCCL方法各有特点，目前仍然呈并行发展的趋势，并未凸现相互取代的趋势。从近两年来看，涂布法约占全球2L-FCCL市场的60％，溅镀法约占1 8％，层压法约占22％。表1是三种制作方法的比较。
2．2 涂布法与层压法的不足
目前涂布法制备的产品主导了2L—FCCL的市场，它多用于单面板制作，但尚无法制造超薄铜箔基材(铜厚低于l 2μm)，并不符合未来COF构装精细线路的要求。同时，合成高分子树脂溶液要面对大量回收极性溶剂的问题。
层压法是以聚酰亚胺(PI)膜为基材先涂上一层薄的热塑性聚酰亚胺(PI)树脂(TPI)，先经高温硬化，再利用高温高压将TPI重新熔融与铜箔压合，铜箔厚度同样很难低于1 2μm。相对涂布法，此种方法的成本较高，仍须使用几乎被杜邦、钟渊和宇部兴产三家垄断的PI基膜。
2．3 PVD溅名度法(Sputtering／Plating)
PVD溅射沉积是在真空环境下，利用等离子体中的荷能粒子轰击耙材表面，使耙材卜的原子或离子被轰击出来，被轰击出的离子沉积在基体表面生长成薄膜，这种方法经历了二级溅射、平衡磁控溅射、非平衡磁控溅射和脉冲磁控溅射等发展阶段，目前衍生了很多新型应用途径，已在建材、装饰、光学、防腐蚀、：工磨具强化、集成电路等领域得到了广泛的应用。
在利用此法制备2L—FCCL方面，
采用
单面溅射法／电镀法具有优异的耐热性、尺稳定性。以低成本、高品质、高产量的优势进入软板基材市场。松本博文认为FPC最尖端的技术体现在细线化和
薄型化，细线化的目标是向半导体技术靠拢，未来五年内达到最小10μm节距(线宽／线距各为5μm)并能适合高频性能要求，相应地对FPC基材提出了更高的要求，而制造这种高精细厚度在2μm～3μm基铜的CCL只能采用PVD法制造。
2．4 2F—CCL工艺过程
(1)聚酰亚胺薄膜(PI)在l 00℃烘4h，并进行等离子体处理。
(2)装进镀膜机一一抽气到0．005Pa后，挥光放电清洗，接着开启镀镍铬合金和铜耙磁控溅射电源进行溅射，传输速度为3m／min。
(3)酸性镀铜液电镀加厚铜到要求的铜厚度(2μm～10μm)。
3结论
目前，我们已经能够应用PVD方法直接得到CCL和2F-CCL产品，真率镀设备已经实现自动化。刚性CCL采用片式材料，在立式多箱体机镀膜，而2F-CCL在ROLL-TO-ROLL单腔卷式真空镀膜机。笔者认为，领先的技术优势和一流的产品质量，使公司高档CCL．产品具有极强的核心竞争力。这种核心竞争力能够使公司市场占有率不断提高，而且还能享受到高于行业平均水平的利润率。
当今，多学科交叉融合已经成为当今科技创新发展的一大趋势，而PVD在产业的应用研究可以弥补我国高端电路板材料技术的不足，它是具有前瞻性的战略意义的工作。