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摘要：文章概述了铜线表面粗糙度（轮廓）在高频高速信号传输的PCB中遇到信号传输集肤效应和结合强度的主要矛盾和挑战。 传统的高粗糙度（轮廓）物理组合不再可行。 出路是在铜和绝缘介电层之间增加一个“集成层”，即在粗糙度很低或没有粗糙度的铜表面，采用化学吸附和化学反应以及化学改性的方法，形成SAM（self-集成单层）。 这种功能集成层既能满足高频信号传输的目的，又能满足结合强度的要求。 这种方法将为PCB层间的高质量键合开辟一条新途径！

前言

自印刷电路板（PCB）诞生以来，由于铜导体与绝缘（介电）层之间的结合力低，热膨胀系数差异大，容易出现分层等故障。 为了克服这个问题，长期以来最传统的方法是采用提高铜导体表面粗糙度的技术。 这种解决方案，本质上是增加铜与绝缘介质层的接触面积，以提高结合强度。 显然，这是增加接触面积的物理方法。

随着科学技术的进步和信息技术的发展，PCB正迅速向高密度、高频（或高速）方向发展，特别是高频（高速）信号传输的发展和进步，铜导体的皮在PCB效应和高密度化发展带来铜线尺寸的小型化（线材粗糙度占比越来越大），因此高频或高速信号传输将越来越多地在粗糙的表面层，其结果是信号传输在粗糙层中的“驻波”和“反射”会导致传输信号的丢失或“失真”（信号衰减），严重时，传输信号将失败。 因此，在PCB中采用铜线表面粗化来提高结合强度已经不合时宜，是一个严峻的挑战！

在PCB中，键合强度（力）的要求是增加铜导体的表面粗糙度，而高频信号传输的要求是降低铜导体的表面粗糙度。 这种矛盾的主要方面是铜表面粗糙度。 在PCB中，必须满足信号高密度、高频（高速）的发展要求，因此需要解决无粗糙度的铜面与绝缘介质层的键合问题，达到键合强度（力）满足（规定的）要求。 最好的解决办法是用化学方法代替传统的增加表面粗糙度的物理方法，例如：在铜和绝缘（介电）层之间添加某种极薄的“共享”结合层，其中一侧可以接触到铜表面发生反应，而另一面可以与绝缘（介电）层“聚合”或“融合”（或相容），这种“共享”的结合层可以将铜导体牢固地结合到绝缘（介电）层，提高或满足两者结合强度的要求，同时提供无粗糙度的铜面，有利于高频（高速）信号传输的发展。

一般来说，传统的铜表面粗化（轮廓）技术受到挑战，挑战的结果必然导致新技术的诞生、成长和发展，这是事物发展的规律。 因此，在PCB中微细无糙铜线与绝缘介质层的键合中采用化学方法取代传统的物理键合方法将进入一个新的阶段，也是PCB发展的方向和方向。努力在未来！

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覆铜板和 PCB 中铜导体（线）表面粗糙度的挑战

1.1 铜导体表面粗糙度的建议

在 PCB 中，导体铜被粘合到绝缘介电层上。 由于光滑的铜表面与绝缘树脂之间的结合强度低，绝缘树脂的热膨胀系数远大于铜。 因此，铜导体和绝缘树脂在使用环境条件下容易出现分离（层）、起泡等问题。 粗糙的铜表面用于增加导体铜与绝缘树脂区域之间的接触，以提高其结合强度。

1.2 提高表面粗糙度提高铜导体结合强度的本质是增加接触“表面积”

传统覆铜板或PCB中的导体铜与绝缘树脂介电层之间的表面积接触是用来满足结合力的。 由于铜导体平面与绝缘树脂介质的结合强度不高，影响PCB产品的长期可靠性，单位面积具有粗糙度的表面“面积”远大于表面无粗糙度。 因此，长期以来，主要采用增加铜表面粗糙度（轮廓）的方法来提高铜导体与绝缘树脂的结合强度。 例如，根据标准（IPC或GB）：铜箔的光滑表面粗糙度应≤0.43μm，粗糙度表面根据覆铜板与树脂结合强度的要求采用不同程度或信号传输频率要求。 粗糙度（例如标准、低轮廓、非常低轮廓等）。

1.3 铜导体表面粗糙度的发展与挑战

由于PCB中持续高频（或高速）信号传输，集肤效应日益严重（见表1）rz 粗糙度，信号传输效果受到明显影响。 因此，不仅要求覆铜板的铜导体表面粗糙度越来越小（见表2），而且其发展方向是无粗糙度（无轮廓）的铜面要求。

从表1可以看出，随着高频信号传输或高速数字化的发展和进步，信号在导体中的信号传输面厚度越来越薄。 当高频信号传输或高速数字化发展到一定数值（10GHz）后，传统的导体表面粗糙度就遇到了挑战。 因此，需要根据信号传输频率和高速数字化程度，制造合适粗糙度的铜面，才能满足要求。

由于高频（或高速）信号传输的发展，要求覆铜板的铜箔粗糙面的粗糙度不断降低，并规定了相应的标准（如表2所示） .

从表2可以看出，即使选用V（极低粗糙度）级覆铜板（特别是粗糙表面型材），也不能满足高频（高速），尤其是≥1G的传输信号（见表1）要求。 因此，覆铜板行业必须与印制电路板行业一起进行创新、转型和发展，才能适应信息技术和电子行业发展的要求。 好消息是，目前我国已经通过化学方法（添加氧化石墨烯材料）获得了雾面粗糙度（轮廓）和结合强度极低的覆铜板产品。

1.4 铜导体表面粗糙度面临的挑战

在PCB制造中，铜线具有“三面”粗糙度（另一个粗糙面由覆铜板基板决定），约占影响高频信号传输性能主要部分的3/4，因此受到控制在PCB线路制造过程中，表面粗糙度是最关键的。 从表1可以看出，应根据PCB中导线传输信号的高频和低频要求来选择基材，并制定合适的制造工艺来控制导线的表面粗糙度。 频率）高速发展的今天，铜线无粗糙度（轮廓）的课题已经非常突出！

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铜导体表面无粗糙度的机理及要求

传统提高铜表面粗糙度的方法主要是通过化学蚀刻、微蚀等技术实现，如黑色氧化技术、微蚀（硫酸+双氧水、过硫酸钠等微蚀溶液）技术等.可以获得各种Level的铜表面粗糙度，但是这些传统的方法已经不能满足现在和未来高频（高速）信号传输的要求。

为解决（或提高）铜线（本体）光面与绝缘介质层的结合强度，可在导线间加一层“自集成”单分子层（膜），单面（端）可以与铜键合。 化学反应（或化学改性、化学吸附），另一面（端）可与绝缘介质“聚合”或相容，从而达到结合强度要求，形成极低或无粗糙度（轮廓）的目的。

2.1 “自整合”单分子层（膜）的组成

“自集成”单层（膜）在一些文献中被称为自集成单层（SAMs，Self-Assembled Monolayers，也有人称之为“自组装”技术）。 该物质应溶于水溶液（可加入表面活性剂，以利于快速覆盖铜表面），以满足环保、成膜快、成本低、易于量产的要求。 当含有“自整合”单分子的水溶液存在（浸入）铜中时，其一端可转变成铜（化学亲和吸附，或化学反应或化学修饰等）rz 粗糙度，另一端可发生聚合反应，与绝缘介质重新结合反应或相融合，结果将通过“自集成”单层在铜导体和绝缘电介质之间形成牢固的结合。 同时，“自集成”单层还必须具有耐热性，如其热分解温度必须远高于PCB焊接温度（如≥350℃）。 此类物质与高温有机可焊性保护剂（HT-OSPs）、氧化石墨烯（GO，Graphite Oxide）等其他类型的材料非常相似。

2.2 自整合单分子层（膜）形成机制

当铜线浸入“自集成”单分子水溶液中时，“自集成”单分子（或粘合剂）的一端会迅速吸附（如静电力等）在铜线上表面发生化学反应或化学吸附，形成更强的单层膜。 因为这种单分子膜只有一端与铜发生化学反应（或化学吸附），而另一端可与有机化合物（如高分子环氧树脂等）发生聚合反应或相融合，形成非常规则的结构。 排列好的单分子层干燥后成为功能性结合层。 这种功能性粘合层与树脂结合的末端应根据PCB所用树脂的种类不同，或根据应用（对象和条件）选择不同的“自集成”单分子结构。 以达到良好的聚合或复合效果，满足粘接强度要求！

显示了在铜饰面（非常低或没有粗糙度）上实现功能性粘合层的机制（如图 1 所示）。

2.3 加工要求

自集成单分子膜（SAM）的加工方法应力求工艺简单高效、成本低廉、易于规模化生产。 因此，SAM应选择易溶于水的成分，方法与OSP加工相同。 现在：

微蚀→清洗（水洗）→自集成单分子膜（SAM）→清洗（水洗）→干燥

总之，由于信号传输的频率高（或高速），要求铜导体表面具有超低或无粗糙度，同时为了避免或克服结合强度的降低或铜光面与树脂之间的结合力，从目前的工程技术条件来看，最好的办法是在铜与树脂之间加一层“自整合”的单分子膜（或整合剂）。 也就是说，铜与树脂之间的结合力将从“物理（接触面积）结合”转变为化学结合（化学吸附、化学反应、化学改性等），从而提高铜与树脂之间的结合力（强度）和树脂。

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如何在铜导体和绝缘层之间实现功能性“集成层”

在铜和树脂之间化学添加功能性“集成层”（或“结合层”）以满足附着力和超低或无粗糙度铜表面的要求。 目前，理想和可实现的化学方法主要有化学吸附（键链的静电力形成络合物、螯合物等）、化学反应（如氧化还原反应等）和化学改性（形成聚合物），络合物等）和其他方法。 下面分别简述一下情况。

3.1 使用化学吸附（键链）形成功能性“集成层”

在光滑的铜表面形成的铜络合物或螯合物的“结合层”（或“键合层”）中，铜络合物或螯合物由“前体”和“配体”组成。 本文中的“前者”是铜，“配体”可以多种多样，但可以概括为两大类：“无机物”和“有机物”。

3.1.1 铜与无机配体的配合物

配体是无机铜的配合物（配合物），大部分是由金属离子（或金属原子）形成的，配体是无机分子（或原子）、阴离子等，如Cu（NH3）42 +、Ag(NH3) 2+ 、Ni(CO) 4 （四羰基镍，其中镍为原子）、SCN-1等。配体是无机物的配合物（或配合物）。 由于耐热性和热稳定性较差，它们当然不能用作PCB板中的结合（集成）层。

3.1.2 铜与有机配体的配合物

当配体为铜络合物或有机物螯合物时，这些有机物可以是分子（或离子），如咪唑、烷基咪唑、烷基苯并咪唑、烷基苯基咪唑等。由于存在“五环”的Π键（双键）或=NH这些咪唑中的官能团，它们可以与铜“键链”形成螯合物。 同时，这些五环（咪唑）和六环（苯）的耐热性和热稳定性都非常好，尤其是咪唑和苯基的结合（见图2），烷基等的结合会很好好的。 大大提高耐热性和热稳定性，如烷基苯基咪唑的热分解温度可达350℃以上。 因此HT-OSP（High Temperature-Organic Solderability Preservative）作为PCB的集成（键合）层是可能的。

3.2 利用化学反应形成功能性“整合层”

利用化学反应（氧化还原反应）形成功能性的“整合（键合）层”。 如果使用氧化石墨烯（GO，见图3），由于GO中存在羟基（-OH）、羧基（-COOH）、环氧基（=O）等活性基团，控制这些基团（添加物质、反应条件和参数等）使一侧与铜反应，另一侧与有机物反应生成聚合物，从而达到形成功能性“集成层”或“结合层”的目的。 这方面的研发取得了可喜的成果，不仅获得了极低的粗糙度（轮廓）以满足结合强度要求，而且提高了耐热性（其Tg温度从140℃提高到175℃以上）和热电导率（导热系数从0.09 W/m•K提高到6.44 W/m•K），而其铜表面粗糙度（profile）（Rz）可≤0.21 μm，其结合强度也得到显着提高（如图所示）在图 3 中）。

3.3 通过化学修饰形成功能性“集成层”

化学改性（聚合或复合）用于形成功能性的“集成（键合）层”，例如氧化石墨烯与有机/无机材料反应形成氧化石墨烯聚合物。 由于发生聚合反应，石墨烯会失去导电性，成为绝缘材料，但仍具有良好的导热性。 这意味着在导热性能较差的介电层中加入氧化石墨烯，与介电层中的有机物发生聚合反应，从而保证绝缘性能，提高导热性能。 同时，它不仅可以与铜表面结合，还可以与树脂聚合物相容。 对此，应投入人力、物力进行应用的开发和研究。

总之，氧化石墨烯表面含有大量含氧官能团，活性高，比表面积大。 这些官能团可以与许多有机和无机物质发生化学反应和化学改性，形成功能性氧化石墨烯聚合物/复合材料。 集成层，从而开辟了一种新型碳材料，有望成为光滑（低或无粗糙度）铜与绝缘介电层之间最好的纳米集成（键合）层。

结尾

*本刊为国内外公开发行/月刊*