【表面功能化】兰州理工大学郑月红副研究员等：反向处理铜箔微纳组织形成机理及其对力学性能的作用机制
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2024-10-16 17:01
重庆
超低轮廓电解铜箔具有轻、薄、软和可绕曲等特点，是印制电路板（PCB）的核心材料之一，起着信号传输导体的作用。随着电子设备和系统的小型化、轻量化和密集多功能化，对高质量、高精细和高密度化铜箔的需求日益提高，尤其是在第五代移动通信技术（5G）时代，信号体积和传输速度越来越大，而信号高速/高频化使其传输越来越集中于导线“表层”（称为趋肤效应），只流过导体铜线的外层（1~2 μm），而这一范围通常是铜箔的粗糙度范围，信号在粗糙度范围传输，其驻波和反射将越来越严重，导致信号传输路径变长，损耗增加甚至失真，因此，传输线设计提出了追求高频高速电路信号完整性的挑战，这也要求铜箔要实现更低的信号传输损耗。为了减少“驻波”和“反射”造成的信号损失，最直接的方法是降低电接触表面粗糙度，优化接触电阻和增强铜箔与其他材料之间的结合力，然而这2个方面对粗糙度的要求是矛盾的，因为粗糙的铜箔虽然提高了PCB的抗剥离强度，防止铜箔刻蚀成细小线路时脱落，但却增加了传输信号的损耗，可见双重要求给生产高频高速铜箔带来较大的困难，因此有必要开发一种新型表面处理技术，使PCB制造中所用的铜箔材料同时具备低的表面粗糙度和高的抗剥离强度。对于5G通讯高频高速线路商业应用，生产具有低表面粗糙度同时保持高拉伸性能的铜箔是一项挑战。当前国内大部分企业生产的高性能电解铜箔，质量和性能还不能达到5G通讯用铜箔的标准。为了突破高端铜箔的生产瓶颈，这种反向处理的方法也逐渐被重视。现阶段只有在明确RTF中微纳组织的形成机理及其对性能作用机制的基础上，加快制备工艺的开发和优化，才能在短时间内缩小国内外铜箔的性能差距，实现高端铜箔的国产化。山东科技大学岳丽杰副教授团队以国外的RTF为参照，详细分析了研发铜箔基体和镀层的组织结构，讨论了其组织形成机理及其对力学性能的作用机制。图1a是本工作中RTF截面X方向下的晶粒取向图，随着厚度的变化，铜箔内部晶体结构与参比RTF变化相同，即样品主要由细小的等轴晶和尺寸较大的柱状晶组成，靠近M面有(220)Cu择优取向，S面有(111)Cu择优取向。图1b~e是TF样品截面孪晶分布图和晶粒尺寸统计图，其中最大的晶粒有4.43 μm，最小的晶粒有0.19 μm，多数晶粒在0.20~0.60 μm范围内，计算其平均晶粒尺寸为0.57 μm（图1c）。以图1b中虚线划分后统计可知，左侧柱状晶的平均晶粒尺寸为0.60 μm（图1d），右侧等轴晶的平均晶粒尺寸为0.47μm（图1e），即本工作中RTF的平均晶粒要小于参比样品的平均晶粒。![]()
图2a~b为本工作中RTF截面再结晶，亚结构及变形晶粒分布图及其体积分数统计图，铜箔中大部分组织为再结晶晶粒（35.68%）和亚结构晶粒（60.37%），只有少部分的变形晶粒（3.95%）。图2c~d是RTF样品截面孪晶界分布图及其统计图，其中LAGBs占8.78%，HAGBs有91.22%，TBs约占30.8%。TB具有较低的层错能有利于降低系统的总能量，并且可以有效阻止电迁移。研究表明，当沉积速率高（例如具有高电流密度或pH值大的溶液）或沉积温度低时，会形成更多的孪晶，因为在这样的条件下弛豫有限，将形成具有较高过剩能量的晶界（GBs）和三叉晶界（TJs），导致孪晶的成核率更高，从而降低总界面能维持平衡。![]()
图3是参比样品和本工作中RTF样品的工程应力-应变曲线，其中参比样品的抗拉强度平均值为335.86 MPa，延伸率为15.83%。本工作中RTF样品的抗拉强度为393.68 MPa，明显高于参比样品，但其延伸率要低于参比样品，仅有6.54%。![]()
1）结构方面，研发制备的反向处理铜箔与国外商用的产品具有相似的微观组织，均由细小的等轴晶和尺寸较大的柱状晶组成，且包含较高含量的纳米孪晶。S面的Zn镀层整体均匀致密，仅有少部分区域的Zn向基体扩散形成CuZn3相。
2）性能方面，参比样品的Ra和Rz分别为1.22、1.42 μm，强度为335.86 MPa，延伸率为15.83%，而研发制备的铜箔具有更低的粗糙度，Ra和Rz分别为0.68、1.03 μm，其强度也具有明显优势（393.68
MPa），但延展性还有待提高。3）理论方面，通过对比分析明确了铜箔的结晶生长大致分为初始外延、过渡生长和生长期3个阶段。铜箔强度主要由纳米孪晶厚度决定。该文章发表在《表面技术》第53卷第16期。
引文格式：高颢洋, 郑月红, 牛嘉楠, 等. 反向处理铜箔微纳组织形成机理及其对力学性能的作用机制[J]. 表面技术, 2024, 53(16): 219-228.
GAO Haoyang, ZHENG
Yuehong, NIU Jianan, et al. Formation Mechanism of Micro/nanostructure of
Reverse-treated Copper Foil and Its Effect on Mechanical Properties[J]. Surface
Technology, 2024, 53(16): 219-228.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.16.019
