高速铜箔表面粗糙度与信号完整性的关系及未来发展趋势

前言

在5G通信、人工智能、新能源汽车等技术蓬勃发展的当下，高速铜箔作为电子产业链里的关键材料，重要性愈发突出。近期，deepseek的强势崛起在AI浪潮中掀起了一股强大的波澜，其出现让低成本AI及AI部署本地化更靠近普通大众。但AI运行依旧离不开高性能GPU的助力，高算力GPU需要更高速的信号交互，这使得对铜箔性能的要求进一步提高。铜箔一般通过轧制退火（RA）和电沉积（ED）工艺来制备。对于ED或RA箔，恰当的表面处理工艺能赋予高速铜箔多种特殊性质。鉴于高频、高速度传输电路技术的迅猛发展，铜箔表面处理技术已成为一项重要手段。不过，高频信号的传播会受到趋肤效应的影响，即高频信号的趋肤效应会把电流“挤压”到导体表层。当铜箔表面凹凸高度超过信号趋肤深度时，传输路径会被迫在峰谷间“迂回”，就像车辆在崎岖山路行驶一样，路径延长导致能量损耗，阻抗突变引发信号反射，最终致使数据误码率大幅上升。对于需要处理每秒百万亿次计算的AI芯片来说，这意味着性能与能耗的巨大挑战。因此，铜箔作为导体材料设计时，拥有极低的表面粗糙度是必然的。

本文详细分析了铜箔的表面表面粗糙度与高频信号传输性能之间的关系，并探讨其未来技术发展方向。

一、高速铜箔性能指标及对应的作用

高速铜箔主要用于高频通信、高速数据传输、AI服务器等高要求场景，其性能指标直接决定信号传输效率和系统稳定性，具体包括以下关键参数：

1. 粗糙度——通过铜瘤与基材之间的锚定来提供抗剥离强度；

2. 抗剥离性能——铜箔与基材之间的结合强度；

3. 抗拉强度——铜箔受力作用下抵抗拉伸破断的能力，生产过程中防止铜箔断裂；

4. 常温/高温延伸率——在室温/高温环境下，对铜箔试样施加轴向拉伸，载荷达到断裂点铜箔的伸长量，防止高温和常温下产生铜裂；

5. 耐氧化性——防止铜箔在高温环境下表面形成氧化铜；

6. 耐腐蚀性——增加铜箔在环境中的抗腐蚀能力。

二、铜箔表面粗糙度与信号完整性的关系

图1 GERBER 结构

在高速铜箔领域，铜箔的表面粗糙度作为最直接影响信号完整性的因素，被当做是衡量铜箔传输性能的重要指标。某研究将三种铜箔层压成4mil厚、无卤素、高tg M6基材来评估粗糙度对于信号完整性的影响。图1显示了测试GERBER的设计。采用6层印刷电路板设计，厚度为63mil。采用Keysight PNA网络分析仪N5224A和2.99 mm SMA探头，根据Delta-L法[4.5]测量直流至20 GHz的差分插入损耗。通过计算插入损耗在A和B之间的差值，可以消除通孔效应。单元插入损耗的计算公式为：

注：X1和X2分别为不带过孔的条形线A和B的长度。

图2 铜瘤和铜箔的微观形貌和切面织构（a）HRO11，（b）HRO21和（c）HRO31

图 2 呈现出不同铜箔的表面形貌状况，在经过粗化电沉积之后，所有铜箔的晶粒形核以及生长均呈现出均匀的态势。显而易见，电解成分以及电沉积参数能够对晶粒形状、晶粒尺寸以及粗糙度等级进行控制。图 2(a) 所展示的 HRO11 箔呈现为粗糙球形结构，其平均直径为 2.2μm。如图 2(b)所示，HRO21 呈现出稍微细化的球形晶粒，直径大约为 1.2μm。另外，从图2(c)能够看出，HRO31 铜瘤主要是由直径约为 400 nm 的铜瘤颗粒所构成。鉴于每个铜箔的结核尺寸以及表面粗糙度存在差异，所以蚀刻系数以及电路图案质量也各不相同。

表1 表面粗糙度（接触式表面探针）

表2 表面粗糙度（3D光学表面探针）

表1与表2分别给出了利用接触式探针以及三维光学表面轮廓仪对表面粗糙度进行测量的结果。就两种仪器所获取的表面粗糙度而言，HRO11的粗糙度处于最高水平，其次是HRO21，而HRO31的粗糙度则为最低。此外，白光干涉法能够对表面接触面积进行定量评估。结果显示，HRO11箔与HRO21箔具备相当的比表面积，且比HRO31箔的比表面积要大。铜箔与高M6的粘附性能情况如表3所示。其中，HRO21箔的剥离强度最大。具有超低粗糙度的HRO31箔呈现出与HRO11箔相似的粘附性能。该结果表明，除了粗化电沉积的锚定作用之外，阻挡层以及有机涂层工艺对于这种化学键合能力同样起着至关重要的作用。

图3 不同铜箔的插入损耗：(a) 5-mil路径 (b) 7.5-mil 路径

表3 不同类型铜箔在M6上的抗剥离性能及信号损失

在高达20 GHz的频率范围内，Gerber的插入损耗如图3所示。插入损失最小的是HRO31，无论在5-mil或7.25-mil的路径中，HRO31的表面粗糙度和表面积都最低。HRO21和HRO11在大于13GHz或小于13GHz的轨迹上具有相同的损耗特性。然而，HRO11在7.5-mil线路中的损耗性能差于HRO21。因此，可以得出结论，光滑的铜箔具有更低的插入损失。

三、总结及高速铜箔的未来发展展望

在日益加剧的科技竞争浪潮中，高等级高速铜箔的应用需求变的更加强烈。本文主要研究了表面粗糙度与信号完整性的关系，从测试结果可以看出铜箔表面粗糙度变低能明显减少信号的损失。但是随着粗糙度的进一步降低，铜箔表面变的更加光滑，铜瘤形貌、晶体结构以及铜箔表面的元素分布对于信号完整性也会进一步加深。未来高速铜箔的发展，会进一步朝着更光滑、更薄的元素层以及更加单一的晶体结构发展。