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高端PCB覆銅板用三大關鍵原材料現況與性能需求-蘇州愛特維等離子清洗機,等離子表面處理設備和服務

發布日期:2021-03-26 16:42 來源:http://www.historianr.com 點擊:


高端PCB覆銅板用三大關鍵原材料現況與性能需求-蘇州愛特維為您提供性價比超高的等離子清洗機,等離子表面處理設備和服務

本文對近年新型、高端基板材料所用的特殊電解銅箔、特種樹脂,以及特種玻纖布的供應鏈格局,以及對這三大材料新的性能需求,作以闡述。

2020 年初以來,全球新冠疫情蔓延,造成了我國覆銅板原材料供需鏈格局,發生了嚴重變化。5G 開展以來,高頻高速電路用覆銅板、高度 HDI 及 IC 封裝載板用基板材料在技術、性能、品種上也出現了很大的演變。面對這兩大重要變化,深入研究新型、高端的基板材料所用的電子銅箔、特種樹脂以及特種玻纖布的供應鏈格局,以及對三大材料的新型性能需求,被看成是非常重要、急需進行的工作。本文在這兩方面,作一些討論。

1.電解銅箔

1.1 各種低輪廓電解銅箔供給現況及其市場格局的新特點
全球高頻高速電解銅箔的 2019 年市場的規模,以及格局(各國家 / 地區、各主要廠家市場占有率情況),見圖 1、表 1 所示 。
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從圖 1、表 1 所得知:全球的低輪廓銅箔產 銷 量 (即 市 場 規 模)2019 年 估 測 增 加49.8%,達到 5.3 萬噸。估測占全球電解銅箔總量的 7.6%。2019 年全球高頻高速電解銅箔產銷量中,RTF 與 VLP+HVLP 產銷量比例約為:77:23。但未來幾年 VLP+HVLP 所占比例數有增長的趨勢。
在 2019 年,在中國大陸內資及外資銅箔企業產出各類低輪廓銅箔總計為 7580 噸,其中內資企業產量占 51.2%(3880 噸)。內資企業低輪廓電解銅箔產銷量,占整個內資企業電子電路銅箔產量(14.4 萬噸)的 2.7%。在2019 年國內內資企業實現 VLP+HVLP 品種實現可以量產的新突破,但生產及銷售此類低輪廓銅箔的量甚少,僅占全球此類電解銅箔產銷總量的 2.3%。
1.2 高頻高速電路用低輪廓電解銅箔品種及性能需求的差異化新特點
1.2.1 對應不同傳輸損耗等級高頻高速覆銅板的電解銅箔品種及低輪廓度性
為了追求高頻高速電路具有更好信號完整性(Signal Integrity,縮寫 SI),覆銅板要實現(特別在高頻下實現) 更低的信號傳輸損耗性能。這需要覆銅板在制造中所采用的導體材料—— — 銅箔,具有低輪廓度的特性。即覆銅板制造中采用銅箔是低 Rz、低 Rq 等品種。
1.2.2 不同應用領域下的低輪廓電解銅箔性能的差異化
高頻高速電路用低輪廓電解銅箔的品種類別,按應用領域劃分為五大類。即剛性射頻 / 微波電路用低輪廓電解銅箔;高速數字電路用低輪廓電解銅箔;撓性 PCB 用低輪廓電解銅箔;封裝載板用低輪廓電解銅箔;厚銅 PCB 用低輪廓電解銅箔。這五大應用領域,對高頻高速電路用低輪廓電解銅箔,在性能要求上有著不同的特點,即表現在性能項目上有所側重、性能指標上有所差異等。
五大應用領域用低輪廓電解銅箔品種在性能需求及其差異,表現在如下幾方面:
(1)剛性射頻 / 微波電路用低輪廓電解銅箔
剛性射頻 / 微波電路用低輪廓電解銅箔,在不同應用頻率條件下的相對差別更明顯。在銅箔性能對基板的 Dk 均勻一致性、信號傳輸損失性、處理層無鐵磁性元素存在,PIM(Passive Inter- modulation,無 源 互 調 )等 影響因素方面,要求更為嚴格。
為此,高檔的射頻 - 微波電路基板 (如毫米波車載雷達用基板)所用的銅箔,一般要求表面處理需采用純銅處理工藝,以支持減少無源互調 (PIM),實現覆銅板的低 PIM性,參考指標:達到 - 158dBc~- 160dBc 以下。銅箔處理層實現無砷化。
同時,這類銅箔由于樹脂基材的不同,在選擇不同 Rz 銅箔品種方面,差異性很大。
剛性射頻 / 微波電路用低輪廓電解銅箔在 銅 箔 的 厚 度 規 格 方 面 , 一 般 多 采 用 :18μm、35μm、70μm ,而高端極低或超低輪廓銅箔,厚度規格多用:9μm、12μm、18μm品種。
(2)高速數字電路用低輪廓電解銅箔
高速數字電路用低輪廓銅箔的應用市場,絕大多數定位在頻率一般在厘米波(3~30GHz)范圍。它的主要應用終端是高中端服務器等。這類銅箔的性能,對基板的插損、基板加工性等有著更重要的影響,為此有側重的嚴格要求。同時,銅箔的薄形規格、低成本化也是重要的要求。高速數字電路用低輪廓電解銅箔在銅箔的厚度規格方面,一般多采用:18μm、35μm、70μm , 而高端極低或超低輪廓銅箔,厚度規格多用:9μm、12μm、18μm 品種。
筆者對許多低 Rz 的各類銅箔品種(包括HVLP、VLP、RTF 等品種)的非壓合面的輪廓度情況作了調查、比對,所得導的結論是:在同一檔次品種牌號中,凡是在 SI 性表現得較比更好的品種,它的非壓合面輪廓度(以 Rz或 Ra 表示)一般都是較低的。例如,某外資企業的一款 RTF 銅箔產品,它的 Rz=3.0μm(典型值),而非壓合面為 Rz=3.5μm。因此,無論是射頻 / 微波電路基板,還是高速數字電路基板,它們為追求更好的 SI 性,也需求所用的第輪廓度銅箔的非壓合面的 Rz (或Ra、Rq),也具有很低的輪廓度。
當前,高速數字電路用低輪廓銅箔一大重要類別,是反轉銅箔(RTF)。近年樹脂日本、中國臺灣等銅箔企業在 RTF 銅箔技術上的進步,它的 Rz 小于 2.5μm 的許多品種已經問世,甚至 Rz 小于 2.0μm 的品種也已經出現。這樣也使得它的應用市場,以及全球高速數字電路用低輪廓銅箔市場規模的品種比例,也得到迅速的擴大。
當前,全球銅箔低輪廓電解銅箔制造業界,在剛性射頻 / 微波電路用銅箔與高速數字電路用銅箔品種方面,更趨于性能的同一化。例如,盧森堡電路銅箔有限公司(CircuitFoil) 在 2019 年間實現大生產的超低輪廓銅箔 BF- NN/BF- NN- HT。此品種實現了“兩兼容”:其一,由原有的 BF- ANP 銅箔只用于PTFE 樹脂類型基材,發展到“包括聚苯醚(PPE/PPO)基樹脂系統。也適用于純或改性氟聚合物(PTFE)樹脂系統?!逼涠?,實現即可在射頻微波電路基板上應用,也適于高速數字電路基板中采用。
(3)撓性 PCB 用低輪廓電解銅箔
撓性 PCB 用低輪廓電解銅箔,由于制造微細線路的需要,多采用極薄銅箔 (無載體)。這類品種的目前較低厚度規格已經達到 6μm, 例 如 福 田 金 屬 箔 粉 株 式 會 社 的CF- T4X- SV6、CF- T49A- DS- HD2;以及三井金屬 株 式 會 社 的 3EC- MLS- VLP (厚 度 低 7μm)。
撓性 PCB 用低輪廓電解銅箔還要求銅箔具有高的抗拉強度,較高的延伸率。蝕刻后基膜優異透明性,也是此銅箔市場的重要需求項目。
高頻化撓性 PCB 用低輪廓電解銅箔近年開始走向低輪廓度化?,F業界中已經出現不少 Rz 小于 1.0um 品種。例如,三井金屬TQ- M4- VSP Rz≤0.6 (典 型 值 );福 田 金 屬CF- T4X- SV Rz=1.0(典型值,規格 9/12/18);福田金屬 CF- T49A- DS- HD2,Rz=1.0 μm(典型值)(規格 6/9/12/18);日進 ISP,Rz≤0.55(典型值)。
(4)IC 封裝載板用低輪廓電解銅箔
封裝載板 (包括模塊基板) 要求的低輪廓電解銅箔應具有高溫下 (210℃/1h 處理后)的高抗拉強度性、高熱穩定性、高彈性模量、高剝離強度。它的厚度規格為 5.0μm~12μm。并且近年高端 IC 封裝載板用銅箔的厚度規格正向著更極薄化發展,即厚度達到1.5μm~3μm。
封裝載板(包括模塊基板)近年也出現高頻高速化的需求。因此,近年出現了更多的封裝載板用低輪廓電解銅箔品種。例如:三井金屬的 3EC- M2S- VLP (無載體),Rz≤1.8 μm (典 型 值 );210℃ /1h 后 的 抗 拉 強 度51kgf/mm 2 ;延伸率 4.6%;銅箔較薄規格 9μm。三井金屬的 MT18FL(有載體),Rz≤1.3μm ,形成電路銅箔的規格 1.5、2、3μm。日進材料有限公司的 LPF (無載體),Rz≤1.72( 典 型 值 ),210℃ /1h 后 的 抗 拉 強 度52.3kgf/mm 2 ;延伸率 3.7%;銅箔較薄規格9μm。
(5)大電流厚銅 PCB 用低輪廓電解銅箔
厚度規格≥105um (3oz) 的大電流厚銅PCB 用 低 輪 廓 電 解 銅 箔 , 常 用 規 格 :105、140、175、210μm。還有特殊厚度要求的超厚電解銅箔,厚度規格達到 350μm(10oz)、400μm(11.5oz)。
大電流厚銅 PCB 用低輪廓電解銅箔,主要用于大電流、電源基板、高散熱電路板的制造。所制出的厚銅 PCB 主要應用于汽車電子、電源供應器、大功率工業控制設備、太陽能設備等。近年來 PCB 的導熱性能,越來越成為普遍的重要的功能之一。超厚銅箔的市場需求在不斷擴大。同時由于厚銅 PCB 的微細線路制造技術及應用也得到發展,它需求所采用的超厚銅箔也兼備低輪廓度特性。例如,三井金屬 RTF 型低輪廓厚銅箔:MLS- G(Ⅱ型),Rz=2.5μm (產品典型值)。盧森堡TW- B,Rz≤ 4.2μm(產品指標)。
1.3 IC 封裝載板用超薄電解銅箔的應用市場擴大與性能需求
近期一篇來自海外 PCB 專家撰寫的論文 ,對超薄、低輪廓銅箔的應用市場及應用性能要求作了較精辟的闡述。文中提出:“自2017 年后,HDI 板開始大量采用在 IC 載板產品上已經是普遍應用的線路電鍍工藝。這種工藝被稱為半加成法工藝(SAP),是利用線路電鍍技術,以滿足 IC 載板小于 15 μm 的線路結構需求,這種工藝在一般 HDI 板尚未采 用 , 不 過 利 用 超 薄 銅 皮 做 半 加 成 技 術(mSAP) 的調整后,已經成為 HDI 制造的主流工藝?!?/span>
“IC 載板運用的半加成法(SAP)與類載板(SLP)的帶銅箔半加成法(mSAP)的差異在于加工的板材是否是預壓超薄銅箔。目前市場通常情況下,成熟的 SAP 工藝加工的都是 ABF 薄膜材料,采用全板沉銅工藝,這并不適合現存多數生產設備的設置;因此就催生了改良型方案,即帶超薄銅箔的半加成工藝技術?!?/span>
該文提出:“帶銅箔半加成法工藝的關鍵就是使用了載體銅,這有助于銅箔的抗剝離強度穩定且加強纖維的支撐?!钡?,文中也同時提到了采用壓合法覆在基材上的超薄銅箔,在微細電路、微孔激光加工中所應達到的幾項重要性能。它主要包括:較高的并穩定的銅箔抗剝離強度、超薄銅箔的厚度均勻性、低表面粗糙度、銅箔光面上適宜的抗氧化涂層、微細線路的蝕刻性等。其中,銅箔抗剝離強度是重要的性能項目。

二、特種樹脂

2.1 覆銅板對特種樹脂有共同性與差異性要求
覆銅板制造業對特種樹脂品種、性能的需求,有共同性方面的要求,也有不同應用領域板型對樹脂性能要求的差異性。
高端覆銅板對特性樹脂的共性方面性能要求,包括了:樹脂性能指標的均一性、高性價比性、進行改性及性能控制的高自由度性等。
按照不同的基板材料大類別,劃分為剛性覆銅板、撓性覆銅板、封裝載板用覆銅板等多個應用領域。各領域在品種、性能的需求上,有在不同型基材上應用的關鍵樹脂性能項目與指標的差異性。即使是一類的板材,也由于有不同性能的等級,對樹脂的要求標準也有所不同。
樹脂制造廠商認清、識透覆銅板對特種樹脂的差異性要求,就能把握好本企業的樹脂產品的個性化、客制化,發展產品系列化、特性化,擴大產品的市場深度與廣度。
2.2 高頻高速覆銅板用特種樹脂需求現況的要求
Low Loss(低損耗)等級以上(基材 Df≤0.008)的高頻高速電路用覆銅板,所用的主流樹脂組成工藝路線有兩條:一條是 PTFE為代表的熱塑性樹脂體系構成的工藝路線;另一條是以碳氫樹脂或者改性聚苯醚樹脂為代表的熱固性樹脂體系構成的工藝路線。
在熱固性樹脂體系構成的第二條工藝路線中,目前是以“PPO 為主體 + 交聯劑[ 交聯劑可為雙馬酰亞胺樹脂、三烯丙基三異氰酸脂(TAIC)、碳氫樹脂等]”占為主流路線。同時,高頻高速電路用覆銅板用樹脂組成設計技術近幾年還不斷推進,更發展成多樣化。出現了以改性馬來酰亞胺(雙、多官能團型)為主樹脂的工藝路線;以特種環氧樹脂(雙環戊二烯型、聯苯醚型等)+ 苯并噁嗪樹脂的工藝路線等構成的 極低損耗 (Very Low Loss)等級,以及在極低損耗等級以下的高頻高速電路用基材的覆銅板品種。
我國在 PTFE 型覆銅板用的 PTFE 原液生產廠家有晨光(四川)、東岳、巨化、晨光科慕氟材料(上海)公司(晨光和杜邦的合資公司)、三愛富等。另外,江西中氟也在建設中。國內的覆銅板用 PTFE 液產量估計占全球總量的 60%以上。
改性聚苯醚樹脂(PPO/PPE)作主樹脂制造的基板材料,在 5G 通訊設備對應的 Very low loss 應用領域,目前有著不可替代的作用。它大部分的終端產品是基站設施的服務器等。5G 通訊的深入開展,對 PPO/PPE 需求也有著迅速的擴大。我國廣東同宇已批量產,山東圣泉、東材科技已進入客戶試用、評價階段。
碳氫樹脂在高頻高速覆銅板發展中,無論是在品種、技術上,還是應用的廣度、規模量上,都在基板材料業中得到快速的發展。碳氫樹脂、馬來酰亞胺(長鏈)等還在半加法所制的高端 HDI 板、封裝載板、模塊基板中采用的樹脂膜制造中得到應用。我國在碳氫樹脂方面的創新研制、量產及應用上,仍是短板需要迎頭趕上。
應該看到,全球撓性基板材料,以及近年興起的 PCB 用樹脂膜,都在樹脂材料上有重大改變。為覆銅板業配套的國內樹脂企業,應適應這兩大類基板材料新需求,在 LCP晶高聚物、MPI(改性聚酰亞胺)樹脂、新型TPI 樹脂、改性雙馬來酰亞胺樹脂 (改性BMI)、特種環氧樹脂(苯氧樹脂等)。
2.3 未來高頻高速覆銅板用新型樹脂的發展展望
新一代高頻高速覆銅板用樹脂材料,在主要性能需求上有哪些?它的主流需求樹脂類別都有哪些?日本專家(來自新日鐵住金化學株式會社綜合研究所環氧樹脂材料中心的川辺正直)曾發表的長篇文獻對上述提及的問題,做了較深入的闡述。其要點歸結如下:
(1) 使用于高頻高速基板的覆銅板材料,根據高頻化應用條件與 PCB 的加工、裝聯的需求,它主要要具備以下幾方面的性能:① 低介電損失;②高耐熱性;③優良的粘接性(主要指基材樹脂與銅箔的粘接性);④低線性膨脹系數;⑤低吸水性;⑥好的成型加工性;⑦阻燃性;⑧可靠性。在以上的各主要特性要求中,降低高頻信號的介電損失,是重要的項目。
(2)在高頻高速基板材料的樹脂體系的設計、選擇的初期階段,是選擇了易于實現低介電損失性的 PTFE 熱塑性樹脂。像過去PCB 基材常用環氧樹脂、聚酰亞胺 (PI)樹脂,由于它們都有形成網狀成型所必需的極性基團,更低的介電損失性是難以達到的。但是,隨著高頻高速基板材料的應用普及,它 PTFE 樹脂型基板材料的實現工業化生產的高成本性,限制了它的應用領域的擴大。而極性低的化學結構與高耐熱性同時兼備的含乙烯基固化型樹脂,則越來越扮演了新一代高頻高速基板材料所用樹脂的重要角色。
(3)在高頻高速基板材料的樹脂體系設計中選擇的樹脂類別,除了優先考慮它的低介電損失性外,還需考慮到 PCB 制造工藝和加工性的性能需求,考慮在樹脂合成中的樹脂端基高度反應性、多項性能可控性、與其他樹脂配合的溶劑溶解性的要求。而在此方面,含乙烯基固化型樹脂,具備了可實現低聚合物化的聚合官能基,以及可形成網狀結構的交聯基的同一結構條件。
(4)該文獻提出了未來重點需求的低介電損失的含乙烯基固化型樹脂的三種類別品種:①雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)。它具有剛直的酰亞胺環,從而比環氧樹脂更高的耐熱性,更低的 CTE 性,成形時不發生揮發性氣體。它已經在高頻高速基板材料中得到應用(文中列舉了日立化成等應用實例)。② 環烯烴樹脂 (Cyclo Olefin Polymers,COP,或稱:Cyclo Olefin Copoly- mers,COC)。它是由環磷烴類單體所合成的,主鏈為脂環構造碳氫系的非極性聚合物。它是一種透明性、介電特性、耐熱性很優秀的高分子材料。目前在進一步解決它的粘接性較低的問題后,很有望在 PCB 用基板材料中得到更多的應用( 筆者注:臺灣某 CCL 廠在 2014 年已提出在高頻高速 覆 銅 板 中 應 用 COC 的 發 明 專 利 , 如 CN103772957A )。③聚二乙烯基苯(Polydivinylben-zene,PDVB)。近幾年來出現的一類新型樹枝狀大分子??赏ㄟ^它的多支化基元與其他聚合物成分進行合成為固化型樹脂材料。業界已在具有多支化基元結構、可溶性聚二乙烯基苯(PDVB)獲得很大的研究進展。PDVB 有著與環烯烴聚合物同等優秀的介電特性,同時它由于與其他高聚物樹脂有很好的相溶性,因此更具有很好的未來基板材料樹脂配方設計的自由度。原作者本人及他所供職的新日鐵住金化學株式會社,在近年發表了多篇采用這類聚二乙烯基苯樹脂制造的 PCB基板材料的證書  。

三、特種玻纖布

全球及我國覆銅板業,當前對作為補強材料的玻纖布講,出現兩大需求熱門。其一,是超薄或極薄型玻纖布;其二,低 Dk 電子玻纖布。這樣兩方面熱門品種,主要市場在高頻高速覆銅板方面。
3.1 對超薄或極薄型玻纖布性能需求
采用極薄玻纖布成為一種趨勢:現在像1067# (0.035mm)、106# (0.033mm)、1037#(0.027mm)電子布已得較廣泛的使用。而用于封裝載板、高端 HDI 板、光模塊基板、高速電路基板、射頻 - 微波電路基板用的覆銅板及其半固化片材料制造中,開始迫切需求選用極薄玻纖布。極薄玻纖布的主要型號為:1027#(0.019mm);1017#(0.014mm)。
采用極薄玻纖布的基板材料,目前更多的是應用在兩大領域:一是 5G 通信用的新型光模塊基板(屬于高速電路基板范疇),還有就是薄型化 SiP 封裝基板中。
對極薄玻纖布的需求及其所突出貢獻的性能功效,我們可舉臺灣某覆銅板企業新問世的某牌號覆銅板為例。注此產品,分別歸在該公司“高速基板”及“封裝載板”兩類基板材料類別中。該覆銅板產品及半固化片強調采用極薄玻纖布(1017#、1027# 等)有著適于制作薄型化基板的特點。面板及預浸料的產品厚度薄度可做到 0.0012 英寸 (0.03 毫米)。用于高可靠性多層基板,或適于 SiP 封裝、射頻和超薄 HDI 板的設計和應用。其中,突出的基材性能特點是:具有高彈性模量、高可靠性和低 Dk/Df、低損耗的電氣性能。實現 PCB 基板的嚴格 X,Y 尺寸穩定性,低的板變形,可經受歷過度苛刻的環境工作。
由此可見,超薄玻纖布及極薄玻纖布,不僅要承擔不可替代的基材“薄型化”的重任,還由于它的“薄”、 “密”的自身特點,在降低信號傳輸損失 (減少導線之間的時鐘偏移、導線阻抗面分布精度、提高 PP 的樹脂含量等)、提高彈性模量(以實現尺寸穩定性、減少板材熱加工中的翹曲度等)、提高基板可靠性等基板性能上發揮功效。
3.2 對低 Dk 玻纖布應用效果的調查和討論
對低 Dk 電子玻纖布 (以下簡稱 LD 布)應用現況的調查統計(見表 4)表明,全球大中型高頻高速覆銅板市場企業中,現已提出了約共有二十多個品種的采用了 LD 布的此類覆銅板產品品種。表 4 中收集了 17 對的樹脂配方同一的采用 E 布、LD 布“雙伴”品種。以及為達到更低的 Df 及低傳輸損失所單獨開發的三種 LD 布品種。

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