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铜箔怎么选:ED 与 RA、三分之一到两盎司对载流和细线路的影响

2020-08-20
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铜箔厚度怎么换算

铜箔厚度在图纸上有两种写法,一种用盎司,一种用微米。盎司是重量单位,指一平方英尺面积上铜的重量,换算成厚度靠铜的密度。行业沿用的对应关系是这样,1 盎司对应 35 微米,二分之一盎司对应 18 微米,三分之一盎司对应 12 微米,四分之一盎司对应 9 微米。

这个换算表在报价单和叠层图上必须写清楚。写盎司而没标基准,遇上按微米下料的工厂会按自己习惯换算,前后差两三微米,阻抗就跑了。

薄铜和厚铜的分界不算严格。习惯上把二分之一盎司及以下的归为薄铜,一盎司是常规,两盎司以上叫厚铜。分界点之所以重要,是因为这两种板子在蚀刻和压合上的工艺窗口完全不同,电镀段也一样。

标称厚度对应厚度归类常见用法
四分之一盎司(1/4 oz)9 微米薄铜极细线路,线宽五十微米以下
三分之一盎司(1/3 oz)12 微米薄铜细线路板,线宽五十微米以下
二分之一盎司(1/2 oz)18 微米薄铜薄铜与常规的分界
一盎司(1 oz)35 微米常规通用双面与多层板
两盎司(2 oz)及以上70 微米及以上厚铜电源模块、汽车电子、大功率 LED

ED 和 RA 是两种晶粒结构

电解铜箔和压延铜箔的差别在晶体怎么长。电解铜箔是把铜沉积到旋转的阴极辊上,晶体沿沉积方向呈柱状生长,垂直方向上的延伸率低。压延铜箔是先把铜锭轧薄再退火,晶粒接近等轴,各个方向的延展性比较均匀。

延展性决定了它们各自的去处。硬板上的铜箔基本不需要弯折,用电解铜箔,成本低,规格全,表面粗糙度也好控。柔性板要跟着机构反复折,柱状晶在弯折时容易沿晶界开裂,得用压延铜箔。

静态弯折和动态弯折也要分开看。装好就不再动的柔性板,单次弯折半径又不小,电解铜箔够用。要来回折几万次的,压延铜箔是唯一选择,这一条在FPC 铜箔的分类里有更细的区分。

压延铜箔的代价是价格和规格。同样厚度它比电解铜箔贵,最薄规格也不如电解铜箔做得薄,所以很多超薄柔性板反而要在厚度上让步。

电解铜箔柱状晶与压延铜箔等轴晶的组织结构对比

薄铜为什么利于细线路

线路是蚀刻出来的。蚀刻液从上往下吃铜,同时也从侧面吃,侧蚀量和铜厚直接相关。铜越厚,蚀刻时间越长,侧壁被啃掉的宽度越多,线宽从设计的五十微米变成实际的四十微米。

薄铜的侧蚀小,线宽公差好控,这是细线路板用薄铜的主要原因。线宽做到五十微米以下,铜厚基本被压到三分之一盎司甚至更低。

薄铜带来另一个麻烦。蚀刻之前铜箔要经过压合和电镀,薄铜对机械擦伤和皱褶更敏感,压合时稍有异物就会压出凹坑,蚀刻完变成开路。薄铜板的洁净度要求比厚铜板严。

薄铜与厚铜线路的截面侧蚀对比,厚铜侧壁呈梯形

厚铜为什么能扛电流

载流靠截面积。同样线宽,铜厚翻倍,截面积翻倍,能过的电流也大致翻倍。电源模块和汽车电子这类板子要过几安培甚至几十安培,大功率 LED 同样如此,铜厚必须上去。

厚铜还有散热作用。铜的导热能力远高于树脂,把铜层做厚等于在板内埋了一层均温板,热点温度能降下来一截。厚铜板之所以常用在功率场景,一半是为了导电,一半是为了导热。

厚铜和细线路是矛盾的。铜厚上去以后蚀刻因子变差,侧壁变斜,线宽做不细,线与线之间的间距也拉不开。一块板子上既有大电流回路又有密集信号线,通常要分层处理,电源层用厚铜,信号层用常规铜厚,中间靠过孔和叠层隔开。

高频信号盯的是粗糙度

频率上去以后,电流往导体表面挤,这就是趋肤效应。信号频率越高,电流分布的深度越薄,铜箔表面的微观起伏就越重要。粗糙的表面让电流多走路,损耗增加,插损曲线在十几 GHz 以上会明显分化。

高频板选铜箔看的是粗糙度指标,不是厚度。低粗糙度铜箔有专门的产品类别,标称的粗糙度比常规铜箔低一个量级。同一块板材,换成低粗糙度铜箔,插损能改善,这是高速板材质选型里铜箔那一项的实际含义。

粗糙度太低也有代价。铜箔靠粗糙面和树脂咬合,表面越平,结合力越弱,压合后容易分层,钻孔和回流焊时更明显。高频板要在损耗和结合力之间找平衡点,不是越光越好。

结合力:铜箔和树脂之间那一层

铜箔与树脂的结合靠两件事。一是铜箔毛面的机械咬合,粗糙度提供锚固点;二是化学处理层,棕化或者更复杂的偶联处理,让铜面和树脂形成化学键。

无卤板材在这方面更吃亏。无卤树脂体系的极性低,与铜面的浸润性不如含溴体系,同样的棕化参数做出来的结合力偏低。厚铜板的问题相反,铜厚了以后热膨胀时的应力更大,对结合力的要求更高。

结合力的失效往往在钻孔和回流焊之后才出现。孔壁与铜箔连接处出现拉脱,或者大面积起泡,追溯回去多半是棕化液浓度、处理时间或者压合升温速率上的偏差。

小结

定铜箔的顺序大致是这样,先看板子折不折,动态弯折直接定压延铜箔;再看线宽,五十微米以下往薄铜走;接着算载流,电流大的层单独加厚;最后看频率,十几 GHz 以上把粗糙度指标写进图纸。

四项定完再核对组合是否成立。压延铜配厚铜,超薄铜配高结合力要求,以及低粗糙度铜配厚铜,这几种组合都有现成的工艺方案,但需要提前跟板厂确认,不能按常规板的经验直接下单。