Die Leiterplattenindustrie hat viel Zeit in die Entwicklung von Materialien mit minimalen Signalverlusten investiert. Bei Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzschaltungen begrenzen Verluste die Signalausbreitungsdistanz, verzerren Signale und führen zu Impedanzabweichungen, die in TDR-Messungen sichtbar werden. Bei der Entwicklung von Leiterplatten und Schaltungen für höhere Frequenzen liegt es daher nahe, für alle Designs möglichst glattes Kupfer zu verwenden.

Es stimmt zwar, dass die Rauheit von Kupfer zusätzliche Impedanzabweichungen und Verluste verursacht, aber wie glatt muss Ihre Kupferfolie wirklich sein? Gibt es einfache Methoden, um Verluste zu minimieren, ohne für jedes Design ultra-glattes Kupfer verwenden zu müssen? Diese Punkte beleuchten wir in diesem Artikel und zeigen Ihnen, worauf Sie beim Kauf von Materialien für Leiterplattenaufbauten achten sollten.

Arten vonLeiterplatten-Kupferfolie

Normalerweise sprechen wir bei Kupfer auf Leiterplattenmaterialien nicht über die spezifische Kupferart, sondern nur über deren Rauheit. Unterschiedliche Kupferbeschichtungsverfahren erzeugen Schichten mit unterschiedlichen Rauheitswerten, die sich in einem Rasterelektronenmikroskop-Bild (REM) deutlich erkennen lassen. Wenn Sie mit hohen Frequenzen (üblicherweise 5 GHz WLAN oder höher) oder hohen Übertragungsgeschwindigkeiten arbeiten, achten Sie auf die im Datenblatt des Materials angegebene Kupferart.

Außerdem sollten Sie die Bedeutung der Dk-Werte in einem Datenblatt verstehen. Sehen Sie sich dazu die Podcast-Diskussion mit John Coonrod von Rogers an, um mehr über Dk-Spezifikationen zu erfahren. Vor diesem Hintergrund betrachten wir nun einige der verschiedenen Arten von Kupferfolien für Leiterplatten.

elektrochemisch abgeschieden

Bei diesem Verfahren wird eine Trommel durch eine Elektrolytlösung gedreht, und durch eine elektrochemische Abscheidungsreaktion wird die Kupferfolie auf der Trommel abgeschieden. Während sich die Trommel dreht, wird der entstandene Kupferfilm langsam auf eine Walze aufgewickelt, wodurch ein durchgehendes Kupferblech entsteht, das später zu einem Laminat aufgerollt werden kann. Die Trommelseite des Kupfers weist im Wesentlichen die gleiche Oberflächenrauheit wie die Trommel auf, während die freiliegende Seite deutlich rauer ist.

elektrochemisch abgeschiedene Kupferfolie für Leiterplatten

Herstellung von galvanisch abgeschiedenem Kupfer.
Für die Verwendung in einem Standard-Leiterplattenfertigungsprozess wird die raue Seite des Kupfers zunächst mit einem Glas-Harz-Dielektrikum verbunden. Das verbleibende freiliegende Kupfer (Trommelseite) muss vor der Verwendung im Standard-Kupferkaschierungsverfahren gezielt chemisch aufgeraut werden (z. B. durch Plasmaätzen). Dadurch wird die Verbindung mit der nächsten Lage im Leiterplattenaufbau sichergestellt.

Oberflächenbehandeltes galvanisch abgeschiedenes Kupfer

Ich kenne nicht den besten Begriff, der alle verschiedenen Arten der Oberflächenbehandlung umfasst.KupferfolienDaher die obige Überschrift. Diese Kupferwerkstoffe sind am besten als rückseitig behandelte Folien bekannt, obwohl zwei weitere Varianten erhältlich sind (siehe unten).

Bei der Rückwärtsbehandlung von Folien wird eine Oberflächenbehandlung auf die glatte Seite (Trommelseite) eines galvanisch abgeschiedenen Kupferblechs aufgebracht. Diese Behandlungsschicht ist eine dünne Beschichtung, die das Kupfer gezielt aufraut, um eine bessere Haftung an einem dielektrischen Material zu erzielen. Die Behandlung dient außerdem als Oxidationsschutz und verhindert Korrosion. Bei der Herstellung von Laminatplatten aus diesem Kupfer wird die behandelte Seite mit dem Dielektrikum verbunden, während die verbleibende raue Seite freiliegt. Diese freiliegende Seite muss vor dem Ätzen nicht zusätzlich aufgeraut werden; sie weist bereits ausreichend Festigkeit für die Verbindung mit der nächsten Lage im Leiterplattenaufbau auf.

Drei Varianten der rückseitig behandelten Kupferfolie sind:

Hochtemperatur-Dehnungskupferfolie (HTE): Diese galvanisch abgeschiedene Kupferfolie entspricht den Spezifikationen der IPC-4562-Klasse 3. Die freiliegende Seite ist mit einer Oxidationsschutzschicht versehen, um Korrosion während der Lagerung zu verhindern.
Doppelseitig behandelte Folie: Bei dieser Kupferfolie wird die Behandlung auf beiden Seiten der Folie aufgebracht. Dieses Material wird auch als trommelseitig behandelte Folie bezeichnet.
Widerstandsfähiges Kupfer: Dieses Kupfer wird üblicherweise nicht als oberflächenbehandeltes Kupfer klassifiziert. Bei dieser Kupferfolie wird die matte Seite des Kupfers mit einer Metallbeschichtung versehen und anschließend auf die gewünschte Oberfläche aufgeraut.
Die Oberflächenbehandlung dieser Kupferwerkstoffe ist unkompliziert: Die Folie wird durch zusätzliche Elektrolytbäder gewalzt, in denen eine zweite Kupferplattierung aufgebracht wird, gefolgt von einer Sperrschicht und schließlich einer Anlaufschutzschicht.

Leiterplatten-Kupferfolie

Oberflächenbehandlungsverfahren für Kupferfolien. [Quelle: Pytel, Steven G., et al. „Analyse von Kupferbehandlungen und deren Auswirkungen auf die Signalausbreitung.“ In: 58. Konferenz für elektronische Komponenten und Technologien 2008, S. 1144–1149. IEEE, 2008.]
Mit diesen Verfahren erhält man ein Material, das sich mit minimalem Nachbearbeitungsaufwand problemlos im Standard-Platinenherstellungsprozess einsetzen lässt.

Walzgeglühtes Kupfer

Walzgeglühte Kupferfolien werden durch ein Walzenpaar geführt, wodurch das Kupferblech auf die gewünschte Dicke kaltgewalzt wird. Die Oberflächenrauheit der resultierenden Folie variiert je nach Walzparametern (Geschwindigkeit, Druck usw.).

Das so entstandene Blech kann sehr glatt sein, und auf der Oberfläche des gewalzten, geglühten Kupferblechs sind Riefen sichtbar. Die folgenden Abbildungen zeigen einen Vergleich zwischen einer galvanisch abgeschiedenen Kupferfolie und einer gewalzten, geglühten Folie.

Vergleich der Kupferfolie auf Leiterplatten

Vergleich von galvanisch abgeschiedenen und gewalzten Folien.
Flaches Kupfer
Dies ist nicht unbedingt eine Kupferfolie, die mit einem alternativen Verfahren hergestellt wird. Flaches Kupfer ist galvanisch abgeschiedenes Kupfer, das durch ein Mikroaufrauungsverfahren behandelt und modifiziert wird, um eine sehr geringe mittlere Rauheit bei gleichzeitig ausreichender Haftung auf dem Substrat zu erzielen. Die Herstellungsverfahren für diese Kupferfolien sind in der Regel firmeneigen. Diese Folien werden häufig in ultraflaches (ULP), sehr flaches (VLP) und einfach flaches Kupfer (LP, ca. 1 µm mittlere Rauheit) unterteilt.

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