高频高速低轮廓高性能铜箔研发综述

一  摘要

随着5G通信时代来临，高频高速覆铜板产业快速发展，作为其重要原材料之一的铜箔需求量也不断增长，但进口依赖严重。本文将从高频高速用铜箔市场应用、性能特点出发，介绍了浙江花园新能源股份有限公司为顺应时代潮流，积极推进高频高速铜箔材料的研发进展。

二  引言

2019年6月6日5G牌照正式发放，标志着中国正式进入5G商用元年。四年来，5G传输已赋能各行各业数“智”化转型，融合应用广度深度持续推进。

5G移动通信系统基本传输速率可达10Gb/s，信号传输频率一般在1GHz以上，典型的是5-30GHz。这种信息传输的高速高频化特性，考验印制电路板(PCB)是否可以承载更高的集成度、更大的数据传输量，同时也催生了高频高速覆铜板专用铜箔，即高频高速用铜箔材料的发展。

我国在电解铜箔技术方面的发展较快，但高频高速用铜箔目前仍依赖日资、韩资、台资等企业进口，国产市占率较低。在高性能铜箔国产替代大背景下，花园新能源以铜箔的定义和市场现状为依据，分析了高频高速铜箔材料的特性需求，积极推进高频高速铜箔材料研发，在生箔工艺改进、铜瘤优化、硅烷偶联剂优选等多个方面来提升铜箔性能，加速国产替代。

三  高频高速用铜箔的定义

何为高频高速用铜箔？这要从高频高速覆铜板讲起。高频高速覆铜板其实是射频/微波电路用PCB（一般称为“高频PCB”）和高速数字电路用PCB（一般称为“高速 PCB”）的统称。

高频是指频率高、周期短。高速则是指上升沿或下降沿的变化速度快。其名称不同，用途也千差万别（图1）。因在实际应用中高速基板材料与射频-微波基板材料会共同混用制作PCB板，故而铜箔行业习惯统称高频高速。

图1 高频高速PCB用铜箔应用场景

四  高频高速铜箔的发展现状/市场供需关系

1、下游覆铜板产销增长快速，推动铜箔原材料市场发展

在探讨全球高频高速用铜箔（即低轮廓电解铜箔）市场规模之前，首先需了解下游高频高速覆铜板的产销情况：

表1 2019～2021年中全球高频高速覆铜板产销情况

由表1知，全球刚性高频高速覆铜板销售量（额），在近几年逐年增长，至2021年它的销售额达到34.46亿美元，销量达到97.6百万平方米。

2、日资市场份额占比大，国产化替代尚未成型

（1）全球市场格局

全球市场格局：目前全球可实现大批量生产铜箔的企业约为22家，大陆企业占50%。但高端铜箔的生产技术、设备制造技术以及市场份额被日企垄断。全球高端铜箔的前五家企业均为日企，分别为古河电气工业株式会社、三井金属矿业株式会社、日本福田金属箔粉工业株式会社、日本电解及日本能源公司。据统计（图2），2021年全球高频高速用铜箔总销售量（即市场规模）达到7.735万吨，同比增加18.0%，其中日本高频高速用铜箔销量为3.23万吨，占比41.8%。

图2 2021年全球主要国家/地区高频高速用铜箔销量分布

（2）国内市场格局

国内市场格局：国内高频高速专用铜箔生产能力尚未成型，作为科技必备品的PCB铜箔由于多为低端产能，增速仅为5.31%。2021年全球高频高速用铜箔总销售量中，中国台湾销量为3.17万吨，占比41%，中国大陆（内资）销量为0.55万吨，占比7.1%，其他地区销量占比0.6%。

3、“VLP+HVLP”用铜箔市占率较低，亟待提升高端铜箔制造水平

以2021年为例，对我国高频高速用铜箔市场中各品种铜箔的供应厂商及其市占率现况，编者通过文献调研，得到如表2、图3所示结果。

表2 八个高频高速用铜箔品种的划分及其国内市场需求量比例

图3 2021年国内高频高速铜箔市场各品种的主要供应厂商及其市占率情况

（1）RTF系列铜箔

RTF2铜箔主要是需满足5G领域基板外层线路的信号传输中低损耗要求，主要应用市场为5G领域的服务器、大型基站等产品基板，在RTF铜箔市占率最高。目前国内市场提供此产品的主要厂家有：苏州福田、台湾三井金属等。

近年来，出现了全球知名覆铜板企业，在高端高频高速CCL制造中，采用极低Rz的RTF铜箔实例。例如：罗杰斯公司于2022年推出了RO4835IND™LoPro®层压板，采用了“反转处理的光滑LoPro铜箔，具有优异的插入损耗性（引自 Rogers 的“RO4835IND™”新品说明书）”。这表明，未来多年RTF3仍具有较广阔的市场发展空间。

（2）“VLP+HVLP”系列铜箔

国内“VLP+HVLP”铜箔市场中，市占率较高的是HVLP1（HVLP的一代品种，Rz:≤2.0～＞1.5μm）和HVLP2（HVLP 的二代品种，Rz:≤1.5～＞1.0μm）铜箔品种。它们应用在极低损耗（Very Low Loss）、超低损耗（Ultra Low Loss）等级的覆铜板以及对应的多层板制造，对信号完整性（Signal Integrity，SI）有更高要求的射频-微波基板，高速数字信号基板，以及高频特性的模块基板中。

由于全球RTF类铜箔在工艺技术、性能水平和我国高频高速型多层PCB制造水平的限制，在国内大量高频高速CCL及其多层PCB的制造中，必须采用HVLP1和HVLP2铜箔，它们仍扮演着其它铜箔品种无法替代的重要角色。因此，在这两个HVLP品种的国内自主配套上，企盼国内内资企业能尽快突破国内市场几乎空白的情况。

五  高频高速铜箔的种类、特点及其性能

高频高速铜箔中的高频指射频/微波电路用铜箔，高速指高速数字电路用铜箔，因其应用不同，对铜箔的性能要求也不尽相同。

1、射频/微波电路用铜箔性能要求

在高频电路中，电性能损耗是我们重点关注的一个指标，在趋肤效应的影响下，电损耗越大，因为趋肤效应是当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。

因此我们要消除趋肤效应的影响，追求高频电路具有更好信号完整性，CCL要实现（特别是在高频下实现）更低的信号传输损耗性能。这需要CCL在制造中所采用的导体材料——铜箔，具有以下特性：

（1）粗糙度：微波铜箔需要具有较低的Rz和Rq，以减少信号传输过程中的散射和反射，从而降低信号损耗。

（2）介电性能：介电性能是指铜箔对于电信号的绝缘和传输能力。介电性能越高，铜箔对信号的隔离和绝缘效果越好，信号传输的稳定性也越好。

（3）高导电性：作为电信号的传输介质，铜箔需要具有高导电性，以确保信号的稳定和低损耗传输。

（4）优良的电磁屏蔽性能：高频电路容易受到电磁干扰，因此铜箔应具有良好的电磁屏蔽性能，以保护电路免受外界电磁场的干扰。

（5）均匀的线径和厚度：为了确保信号的稳定传输，铜箔的线径和厚度需要均匀，以避免信号反射和散射。

（6）良好的表面平整度：铜箔表面应平整，无划痕、起泡、分层等缺陷，以减少信号传输的不连续性。

（7）高可靠性：在高频应用中，由于信号的频率较高，因此对铜箔的可靠性要求也更高，需要选择经过严格质量认证的铜箔。

2、高速数字电路用铜箔性能要求

高速数字电路用铜箔的应用市场，绝大多数定位在频率一般在厘米波（3～30GHz）范围。它的主要应用终端是高中端服务器等，这类铜箔性能关注点主要集中在对基板的插损、基板加工性等的影响。在高速应用中铜箔需要满足以下几点需求：

（1）高纯度：高纯度铜箔有利于减少信号传输损耗，提高信号传输的完整性。

（2）高导电性：铜箔需要具有高导电性，以确保信号的稳定和低损耗传输。

（3）低轮廓度：为了实现更低的信号传输损耗性能，铜箔需要具备低轮廓度特性。即覆铜板制造中采用铜箔是低Rz的品种。

（4）均匀的厚度和质地：为了保证信号的稳定传输，铜箔的厚度需要均匀，质地需要柔韧，以避免信号反射和散射。

（5）良好的电磁屏蔽性能：高速电路容易受到电磁干扰，因此铜箔应具有良好的电磁屏蔽性能，以保护电路免受外界电磁场的干扰。

3、高频高速铜箔用铜箔品种及发展趋势

业界通常把高频高速铜箔按照表面粗糙度（Rz）的大小划分为三大类别，分别为超低轮廓铜箔（VLP型铜箔）、反转铜箔（RTF型铜箔），以及极低轮廓铜箔（HVLP型铜箔）。而这三类铜箔又可以分为八个品种，分别是较低轮廓铜箔与反转铜箔品种中三个世代的RTF品种（RTF1、RTF2、RTF3），以及极低轮廓铜箔品种中现已发展到四个世代的HVLP品种（HVLP1、HVLP2、HVLP3、HVLP4），详见表3所示。

表3 低轮廓电解铜箔品种及Rz等级（各类的世代产品）

总体来说，高频高速铜箔一直在往低粗糙度方向发展，这是因为电信号在铜箔上传输具有趋肤效应，铜箔的粗糙度越高，需要传输的路径越长，趋肤效应造成的数据信号“失帧”就越严重。这就要求降低铜箔的粗糙度以满足信号传输，而这也是花园新能源针对高频高速铜箔的研发关键点之一。

六  花园新能源高频高速铜箔的研发现状

花园新能源始终站在时代的前沿，积极推进RTF系列铜箔及HVLP系列铜箔等适配高频高速PCB专用铜箔的研发。

1、研发思路

针对RTF与HVLP系列铜箔的研发，需从它们的应用场景和所用基材两方面入手。RTF与HVLP系列铜箔主要应用在服务器、基站、通信等方面，所用基材以环氧、改性环氧、PPO、PTFE、LCP以及其他特殊树脂为主，主要应用频率为10Gbps、25Gbps、56Gbps、112Gbps等。对该系列铜箔应用的主要要求在于：CCL、PCB的匹配性（PS、耐热性）、信号完整性（SI）、无源互调（PIM），铜箔的技术关键点在处理面粗糙度、铜瘤形态、铜箔表面镀层、硅烷偶联剂等方面。CCL及PCB最终决定使用 RTF系列还是HVLP系列中的哪款铜箔，通常需从产品性能要求、匹配性、稳定性、可靠性及成本等方面综合决策后选用，而主要的技术研究方向主要集中在：生箔轮廓，铜瘤形貌、防氧化处理、硅烷化处理四大方向。

目前花园新能源RTF系列铜箔已形成较成熟的工艺，HVLP系列铜箔仍在研发初期。

图4 高频高速铜箔的技术研发方向

2、RTF系列铜箔研发

（1）瘤化处理工艺

铜箔的瘤化处理是通过粗固化工艺在铜箔表面形成铜瘤点，以取代光滑的表面，从而提升铜箔与基材的粘合力。其中，粗化工艺的目的是增加铜箔表面的活性位点，通常是在高酸低铜电镀液中以极限电流密度进行电沉积，获得均匀覆盖的细小沉积铜瘤点；固化过程与粗化稍有不同，主要是为了进一步包裹和加固所得到的枝晶状的粗化瘤点，避免瘤点脱落。

图5 电解铜箔粗化及固化机理

在高频高速电路中，为保证信号传输的完整性，铜箔厂商往往通过降低铜箔表面粗糙度的方法来避免趋肤效应。但这一方法会导致铜箔的抗剥离强度降低，易在下游使用过程中产生脱落等质量问题。因此，我们需要改变改善成核密度、铜瘤大小和数量，从而在不改变铜箔粗糙度的情况下提高剥离强度。

此外，根据基材的软硬程度，铜瘤的形状也会影响铜箔与基材的结合能力。一般来说，针尖状铜瘤适合较硬或流动性较差的基材，例如液晶聚合物类（LCP）和聚四氟乙烯类（PTFE）基材。因为在高温压合过程中针尖状结构可以扎入到基材中形成较好的投锚作用，从而与基材有很好的结合面（结合力），保证剥离强度。而雪球状铜瘤结构一般适配流动性较好或硬度较低的基材，如改性聚苯醚类（PPO）和环氧基材，在高温压合过程中这些树脂会发生流动，包覆住圆形雪球状的铜瘤，在较大的比表面积进行结合保证抗剥离强度。

表4 不同铜瘤结构与不同基材的搭配

目前常用的高频高速基材有PPO、PTFE、PCH（碳氢树脂类）等基材，需要铜箔厂家根据不同的基材对应开发匹配的铜箔材料。花园新能源针对提高RTF铜箔在高频高速基材上的抗剥离强度，在粗化液中添加不同类型的添加剂制备出针尖状及雪球状铜瘤，进行了相关实验探究。

图6 花园新能源制备的针尖状及雪球状铜瘤样品SEM图

表5 针尖状及雪球状铜瘤对应铜箔的粗糙度和抗剥离强度（未涂覆硅烷）

目前，花园新能源已经在实验室制备出针尖状及雪球状铜瘤结构，其表面形貌如图6所示。经过大量实验数据表明，两种铜瘤结构在高Tg基材上都具有良好的抗剥离强度，但在粗糙度（Rz）相似的情况下，针尖状铜瘤的非接触式粗糙度（Sz）和比表面积会大于雪球状铜瘤，因此其在基材上也有更好的结合能力。花园新能源下一步计划是在PTFE和PCH基材上对两种铜瘤结构的抗剥离强度做进一步评估。

（2）硅烷偶联剂处理工艺

硅烷偶联剂是一类在分子结构中同时含有两种不同化学性质基团的有机硅化合物，可以分别与有机物（基材）和无机物（铜箔）反应，从而在它们之间构建一座“分子桥梁”。其通用化学结构：R_(4-n)-Si-(R’X)_n(n=1,2)，R是可水解官能团，如：-OCH₃、-OC₂H₅，该基团水解生成-Si-OH，与铜箔表面-OH连接形成密集的网状Me-O-Si膜层（图7）。

RTF系列铜箔表面处理最后一道工序就是涂覆硅烷偶联剂，习惯称涂覆有机膜，目的到为了提高压板后的抗剥离强度。大量实验数据证明，针对基材选择适配的硅烷偶联剂，优化涂覆工艺后，可提高0.2N/mm及以上的抗剥离强度水准。

图7   硅烷偶联剂水解（a）和

硅烷偶联剂“架桥”过程模型（b）

①改性聚苯醚（PPO）基材硅烷偶联剂研发：

从性能上看，改性聚苯醚（PPO）因其突出的介电性能、良好的综合性能及工艺性能，在目前的高性能电路基板材料，特别是高频高速基板材料中处于越来越重要的地位。

图8   PPO优异性能（a）和

改性PPO基材在覆铜板上的应用（b）

以客户端需求来说，下游多家覆铜板企业提出RTF3铜箔需求，以搭配改性PPO基材制备高速覆铜板。因此，改性PPO玻纤布基覆铜板仍是下游印制电路信号传输高速化要求的高性能电路基板材料之一。花园新能源针对提高RTF3与改性PPO基材的抗剥离强度做了相关的实验探究。

PPO改性方式，硅烷偶联剂与其键合机理也不尽相同。从图9的红外光谱表征结果来看，厂家1、2、3对于氨基硅烷有较好的反应性。推测该类基材改性方式以端基酰化反应为主，最终形成乙烯基封端的活性酯，从而与硅烷上的氨基反应形成化学键。这种化学键的作用极大提升了铜箔与基材的抗剥离强度（图9、表6），对后端应用起到了不可忽视的作用。

图9 厂家1、2、3与硅烷B反应前后表面红外光谱吸收峰变化

表6 硅烷B对18μmRTF3与厂家1、2、3改性PPO基材的抗剥离强度提升

与厂家1、2、3不同，厂家4对PPO的改性方式以物理共混为主，目前花园新能源以硅烷偶联剂A与其适配，18μmRTF3铜箔与基材的抗剥离强度能达到0.412N/mm（剥离强度提升0.149N/mm）。从铜箔剥离后基材上的“-C=C-”双键吸收峰消失以及基材上伯酰胺键羰基峰的强度增强（图10），初步推断硅烷与基材发生了加成反应并产生键合。

图10 厂家4与硅烷A反应前后表面红外光谱吸收峰变化

②碳氢基材硅烷偶联剂研发：

碳氢树脂，又称碳氢化物树脂，简称PCH，是指由石油裂解所副产的C5、C9馏份，经过前处理、聚合、蒸馏等环节生成的一类热塑性树脂。碳氢树脂分子量在300-3000之间，属于低聚物的一种，含丁二烯苯乙烯共聚物、丁二烯均聚物、苯乙烯/二乙烯基苯共聚物等（表7）。

表7 美国沙多玛公司代表碳氢树脂的分子组成及性能参数

目前在电子领域，碳氢树脂已成为高频高速覆铜板生产所需重要电子级树脂之一。与其他树脂相比，其键能高、极化率低、密度小，因此碳氢聚合物具有优异的介电性能及耐热稳定性（表5）。且碳氢树脂来源广泛、价格低廉，具有较高的性价比，是非常具有竞争力的高频、高速及高性能电路基板用树脂基体。

目前花园新能源针对碳氢基材的硅烷偶联剂研发才刚刚起步，针对碳氢基材的化合物特性，拟选用含有乙烯基硅烷或是长链硅烷进行抗剥离强度提升。

③聚四氟乙烯（PTFE）基材偶联剂研发：

聚四氟乙烯（PTFE）是一种合成的四氟乙烯含氟聚合物。因其耐高温、耐老化、耐低温、耐腐蚀、电性能佳等优点在高频高速材料中得到广泛应用。

目前花园新能源针对PTFE基材仍使用传统环氧型硅烷偶联剂来选择最佳的压合工艺，后续若有剥离强度提升的需求，拟选用含有氨基、羟基等活性基团的硅烷进行抗剥离强度提升实验。

3、“VLP+HVLP”系列铜箔研发

为满足高频高速电路对铜箔的表面粗糙度要求不断降低，一般的生箔电解工艺与粗化处理已无法满足其低轮廓高剥离强度需求。特别是当粗糙度Rz降低到2.0μm以下，电解过程应采用特殊的添加剂配方和工艺，在表面处理过程应采用超微细瘤化处理技术。对于HVLP铜箔而言，其瘤化处理与硅烷工艺和低轮廓RTF铜箔大同小异，关键点在于生箔阶段添加剂的控制。

与RTF所用生箔不同，HVLP生箔需达到光面与毛面都是光滑的轮廓，光面的低粗糙度取决于阴极辊表面的平整程度，而毛面则需要在电解液中添加添加剂才能达到平整的效果。目前花园新能源已在实验室中制得双面平整的HVLP生箔，见图11。

图11 花园新能源HVLP生箔外观、表面形貌

图11展示了普通生箔与花园新能源HVLP生箔外观及表面形貌电镜图。与普通生箔相比，花园新能源HVLP在毛面也表现出了良好的光泽度。这一点SEM电镜中也可以观察到，花园新能源HVLP铜箔毛面山形消失。同时HVLP生箔箔面平整，不会像普通生箔那样发生翘曲。

表8 花园新能源HVLP生箔与普通生箔物性对比

此外，从物性上看（见表8），花园新能源HVLP生箔毛面粗糙度降低，为后续瘤化处理制作极低轮廓铜箔提供良好的基础。在抗拉强度与延伸率方面，花园新能源HVLP生箔常温抗拉强度及高温抗拉强度与普通生箔相比分别提升46MPa和10MPa，常温延伸率及高温延伸率各提升9%和8%。

七  结论

综上来看，目前国产高频高速用铜箔材料量产仍无法满足市场需求。为此，花园新能源加快核心关键技术攻关，通过不断努力，已研发成功多款满足不用应用场景的RTF铜箔（表9），有望解决制约我国人工智能、自动驾驶和电子信息产业快速发展的瓶颈问题。

表9 花园新能源RTF产品介绍

上述产品已实现量产，可针对CCL及PCB不同基材的要求，进行定制化生产，通过调控铜瘤形貌与硅烷偶联剂搭配使用以提升剥离强度。该系列产品在表面防氧化元素保证PCB加工的基础上，进行精准控制实现较好的信号完整性。同时，因我国内资企业的“VLP+HVLP铜箔”产销比RTF铜箔更显薄弱。我司仍大力推进“VLP+HVLP”系列铜箔研发，提高制造水平，助力5G赋能。