前言

在5G通信、人工智能、新能源汽車(chē)等技術(shù)蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，高速銅箔作為電子產(chǎn)業(yè)鏈里的關(guān)鍵材料，重要性愈發(fā)突出。近期，deepseek的強(qiáng)勢(shì)崛起在AI浪潮中掀起了一股強(qiáng)大的波瀾，其出現(xiàn)讓低成本AI及AI部署本地化更靠近普通大眾。但AI運(yùn)行依舊離不開(kāi)高性能GPU的助力，高算力GPU需要更高速的信號(hào)交互，這使得對(duì)銅箔性能的要求進(jìn)一步提高。銅箔一般通過(guò)軋制退火（RA）和電沉積（ED）工藝來(lái)制備。對(duì)于ED或RA箔，恰當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砉に嚹苜x予高速銅箔多種特殊性質(zhì)。鑒于高頻、高速度傳輸電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，銅箔表面處理技術(shù)已成為一項(xiàng)重要手段。不過(guò)，高頻信號(hào)的傳播會(huì)受到趨膚效應(yīng)的影響，即高頻信號(hào)的趨膚效應(yīng)會(huì)把電流“擠壓”到導(dǎo)體表層。當(dāng)銅箔表面凹凸高度超過(guò)信號(hào)趨膚深度時(shí)，傳輸路徑會(huì)被迫在峰谷間“迂回”，就像車(chē)輛在崎嶇山路行駛一樣，路徑延長(zhǎng)導(dǎo)致能量損耗，阻抗突變引發(fā)信號(hào)反射，最終致使數(shù)據(jù)誤碼率大幅上升。對(duì)于需要處理每秒百萬(wàn)億次計(jì)算的AI芯片來(lái)說(shuō)，這意味著性能與能耗的巨大挑戰(zhàn)。因此，銅箔作為導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)時(shí)，擁有極低的表面粗糙度是必然的。

本文詳細(xì)分析了銅箔的表面表面粗糙度與高頻信號(hào)傳輸性能之間的關(guān)系，并探討其未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向。

一、高速銅箔性能指標(biāo)及對(duì)應(yīng)的作用

高速銅箔主要用于高頻通信、高速數(shù)據(jù)傳輸、AI服務(wù)器等高要求場(chǎng)景，其性能指標(biāo)直接決定信號(hào)傳輸效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，具體包括以下關(guān)鍵參數(shù)：

1. 粗糙度——通過(guò)銅瘤與基材之間的錨定來(lái)提供抗剝離強(qiáng)度；

2. 抗剝離性能——銅箔與基材之間的結(jié)合強(qiáng)度；

3. 抗拉強(qiáng)度——銅箔受力作用下抵抗拉伸破斷的能力，生產(chǎn)過(guò)程中防止銅箔斷裂；

4. 常溫/高溫延伸率——在室溫/高溫環(huán)境下，對(duì)銅箔試樣施加軸向拉伸，載荷達(dá)到斷裂點(diǎn)銅箔的伸長(zhǎng)量，防止高溫和常溫下產(chǎn)生銅裂；

5. 耐氧化性——防止銅箔在高溫環(huán)境下表面形成氧化銅；

6. 耐腐蝕性——增加銅箔在環(huán)境中的抗腐蝕能力。

二、銅箔表面粗糙度與信號(hào)完整性的關(guān)系

圖1 GERBER 結(jié)構(gòu)

在高速銅箔領(lǐng)域，銅箔的表面粗糙度作為最直接影響信號(hào)完整性的因素，被當(dāng)做是衡量銅箔傳輸性能的重要指標(biāo)。某研究將三種銅箔層壓成4mil厚、無(wú)鹵素、高tg M6基材來(lái)評(píng)估粗糙度對(duì)于信號(hào)完整性的影響。圖1顯示了測(cè)試GERBER的設(shè)計(jì)。采用6層印刷電路板設(shè)計(jì)，厚度為63mil。采用Keysight PNA網(wǎng)絡(luò)分析儀N5224A和2.99 mm SMA探頭，根據(jù)Delta-L法[4.5]測(cè)量直流至20 GHz的差分插入損耗。通過(guò)計(jì)算插入損耗在A和B之間的差值，可以消除通孔效應(yīng)。單元插入損耗的計(jì)算公式為：

注：X1和X2分別為不帶過(guò)孔的條形線A和B的長(zhǎng)度。

圖2 銅瘤和銅箔的微觀形貌和切面織構(gòu)（a）HRO11，（b）HRO21和（c）HRO31

圖 2 呈現(xiàn)出不同銅箔的表面形貌狀況，在經(jīng)過(guò)粗化電沉積之后，所有銅箔的晶粒形核以及生長(zhǎng)均呈現(xiàn)出均勻的態(tài)勢(shì)。顯而易見(jiàn)，電解成分以及電沉積參數(shù)能夠?qū)ЯＰ螤睢⒕Я３叽缫约按植诙鹊燃?jí)進(jìn)行控制。圖 2(a) 所展示的 HRO11 箔呈現(xiàn)為粗糙球形結(jié)構(gòu)，其平均直徑為 2.2μm。如圖 2(b)所示，HRO21 呈現(xiàn)出稍微細(xì)化的球形晶粒，直徑大約為 1.2μm。另外，從圖2(c)能夠看出，HRO31 銅瘤主要是由直徑約為 400 nm 的銅瘤顆粒所構(gòu)成。鑒于每個(gè)銅箔的結(jié)核尺寸以及表面粗糙度存在差異，所以蝕刻系數(shù)以及電路圖案質(zhì)量也各不相同。

表1 表面粗糙度（接觸式表面探針）

表2 表面粗糙度（3D光學(xué)表面探針）

表1與表2分別給出了利用接觸式探針以及三維光學(xué)表面輪廓儀對(duì)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。就兩種儀器所獲取的表面粗糙度而言，HRO11的粗糙度處于最高水平，其次是HRO21，而HRO31的粗糙度則為最低。此外，白光干涉法能夠?qū)Ρ砻娼佑|面積進(jìn)行定量評(píng)估。結(jié)果顯示，HRO11箔與HRO21箔具備相當(dāng)?shù)谋缺砻娣e，且比HRO31箔的比表面積要大。銅箔與高M(jìn)6的粘附性能情況如表3所示。其中，HRO21箔的剝離強(qiáng)度最大。具有超低粗糙度的HRO31箔呈現(xiàn)出與HRO11箔相似的粘附性能。該結(jié)果表明，除了粗化電沉積的錨定作用之外，阻擋層以及有機(jī)涂層工藝對(duì)于這種化學(xué)鍵合能力同樣起著至關(guān)重要的作用。

圖3 不同銅箔的插入損耗：(a) 5-mil路徑 (b) 7.5-mil 路徑

表3 不同類(lèi)型銅箔在M6上的抗剝離性能及信號(hào)損失

在高達(dá)20 GHz的頻率范圍內(nèi)，Gerber的插入損耗如圖3所示。插入損失最小的是HRO31，無(wú)論在5-mil或7.25-mil的路徑中，HRO31的表面粗糙度和表面積都最低。HRO21和HRO11在大于13GHz或小于13GHz的軌跡上具有相同的損耗特性。然而，HRO11在7.5-mil線路中的損耗性能差于HRO21。因此，可以得出結(jié)論，光滑的銅箔具有更低的插入損失。

三、總結(jié)及高速銅箔的未來(lái)發(fā)展展望

在日益加劇的科技競(jìng)爭(zhēng)浪潮中，高等級(jí)高速銅箔的應(yīng)用需求變的更加強(qiáng)烈。本文主要研究了表面粗糙度與信號(hào)完整性的關(guān)系，從測(cè)試結(jié)果可以看出銅箔表面粗糙度變低能明顯減少信號(hào)的損失。但是隨著粗糙度的進(jìn)一步降低，銅箔表面變的更加光滑，銅瘤形貌、晶體結(jié)構(gòu)以及銅箔表面的元素分布對(duì)于信號(hào)完整性也會(huì)進(jìn)一步加深。未來(lái)高速銅箔的發(fā)展，會(huì)進(jìn)一步朝著更光滑、更薄的元素層以及更加單一的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)展。