TWI527685B - 厚銅箔結構 - Google Patents

Description

厚銅箔結構

本發明是有關於一種銅箔結構，且特別是有關於一種可承載大電流之散熱銅箔結構。

一般應用於電子裝置的基板，係包括一基層與一電路層，基層例如是以半固化片(prepreg)所製成，電路層例如為一金屬。隨著電子裝置的功能多樣化，電路板的種類、其上的元件種類與數量亦日趨複雜，其中一種功能性電路板稱為電源電路板，其電路層需可承載大電流並具有良好的散熱能力，而線路的寬度與厚度與散熱能力為一正相關之關係，此電源電路板上所具有之電路層經常需要以增加厚度的方式，來對其散熱性能進行改良。

要同時具有可承載大電流與良好的散熱能力，需要增加電路層的厚度，但電路層與電路板材料間仍需有良好的結合力。使用習知製程技術所做的電路層，往往因表面十分平坦，而有表面粗糙度不足的問題，使得電路層在與基層壓合後的結合力 不足，無法提供足夠的撕離強度(peel strength)而分離。使用一般常用的方法製作之電路層，雖然可增加電路層的表面粗糙度以提供適當的結合力，卻存在其他因製程與製造設備上的問題而使得生產受限或難度提高。

本發明係有關於一種厚銅箔結構，包括一壓延層、一第一電鍍層以及一第一粗化層。此結構具有足夠且適當的表面粗糙度，除可承載大電流與具備良好的散熱能力，同時兼具與基層間之結合力強之優勢。

根據本發明，提出一種厚銅箔結構，包括一壓延層、一第一電鍍層以及一第一粗化層。壓延層具有一第一晶型，第一晶型平行於一第一方向。第一電鍍層形成於壓延層上，第一電鍍層具有一第二晶型，第二晶型平行於一第二方向。第一粗化層形成於第一電鍍層上。第一方向與第二方向係為不同向。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，詳細說明如下：

100、200、300‧‧‧厚銅箔結構

10‧‧‧壓延層

11‧‧‧第一表面

12、12’‧‧‧第二表面

20‧‧‧第一電鍍層

25‧‧‧第二電鍍層

30‧‧‧第一粗化層

35‧‧‧第二粗化層

40‧‧‧抗熱處理層

50‧‧‧抗氧化層

60‧‧‧有機矽烷層

L1‧‧‧壓延層的厚度

L2‧‧‧第一電鍍層的厚度

L3‧‧‧第一粗化層的厚度

X、Y‧‧‧座標軸

第1圖繪示本發明實施例之厚銅箔結構的示意圖。

第2圖為本發明實施例之厚銅箔結構在掃描式電子顯微鏡下 所觀測得到的部分切面圖。

第3圖為第一粗化層之瘤狀結構形成於第一電鍍層上在掃描式電子顯微鏡下所觀測得到的上視圖。

第4圖繪示本發明實施例以第二電鍍製程與第三電鍍製程形成第一粗化層時，電流密度對時間的關係圖。

第5圖繪示本發明另一實施例之厚銅箔結構的示意圖。

第6圖繪示本發明又一實施例之厚銅箔結構的示意圖。

第1圖繪示本發明實施例之厚銅箔結構100的示意圖。如圖所示，厚銅箔結構100包括一壓延層10、一第一電鍍層20以及一第一粗化層30。壓延層10可具有一第一晶型，第一晶型係平行於一第一方向。第一電鍍層20形成於壓延層10上，且第一電鍍層20可具有一第二晶型，第二晶型平行於一第二方向。第一粗化層30形成於第一電鍍層20上。在本發明實施例中，第一方向與第二方向係為不同向。

第2圖為本發明實施例之厚銅箔結構100在光學顯微鏡(Optical Microscope,OM)下所觀測得到的部分切面圖。如圖所示，壓延層10所具有之第一晶型係平行於第一方向(在本實施例中例如是平行X軸)，第一電鍍層20所具有之第二晶型係平行於第二方向(在本實施例中例如是平行Y軸)。也就是說，壓延層10所具有之第一晶型與第一電鍍層20所具有之第二晶型的排列方向實質上垂直。

壓延製程可用以製造厚度較厚(例如是厚度大於100μm) 的銅箔層。在完成壓延製程後，通常會進行一酸蝕製程以增加表面的粗糙度。舉例來說，在第1圖之實施例中，厚銅箔結構100之壓延層10具有一第一表面11與一第二表面12，第一表面11與第二表面12相對，由於第一表面11可經過一酸蝕製程，因此相較於第二表面12，第一表面11可具有較高的粗糙度，例如1.0~2.6μm，又例如是1.8μm。在一實施例中，酸蝕製程例如是以濃度為90g/L的硫酸(H₂SO₄)與適量的過氧化氫(H₂O₂)，在室溫的條件下進行。

相較於壓延製程，電鍍製程所形成的銅箔層通常具有更高的的表面粗糙度。由第2圖所示之部分切面圖也可明顯看出，經由電鍍製程所形成的第一電鍍層20具有第二晶型，其排列方向實質上垂直於壓延層10具有的第一晶型，因此，以電鍍製程於壓延層10之第一表面11上形成第一電鍍層20時，可進一步增加厚銅箔結構100之粗糙度。

在本實施例中，第一電鍍層20係以一鍍液進行第一電鍍製程所形成。鍍液例如包括濃度為30~100g/L的銅離子(Cu²⁺)、濃度為60~150g/L的硫酸(H₂SO₄)、濃度為15~60ppm的氯離子(Cl^-)、濃度為0.2~10ppm的動物膠(glue)或乙基纖維素(HEC)，且進行此第一電鍍製程的溫度介於攝氏30~60度之間。

本發明實施例之第一粗化層30形成於第一電鍍層20上，且第一粗化層30例如具有多個瘤狀結構，這些瘤狀結構可進一步粗化第一電鍍層20的表面。然而，由於瘤狀結構不易直接形成於第一電鍍層20，因此在形成第一粗化層30時需對其製程進行調整，使得第一粗化層30之瘤狀結構可穩固地形成於第一電鍍層20上。

在本實施例中，第一粗化層30係由以一粗化鍍液進行一第二電鍍製程，以及，以一覆蓋鍍液進行一第三電鍍製程交替進行所形成。第二電鍍製程可形成一瘤狀結構，第三電鍍製程可形成一覆蓋層，覆蓋層係披覆於瘤狀結構上，使得第一粗化層30之瘤狀結構可穩固地形成於第一電鍍層20上。第3圖為第一粗化層30之瘤狀結構形成於第一電鍍層20上在掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)下所觀測得到的上視圖。如圖所示，第一粗化層30之瘤狀結構散佈形成於第一電鍍層20上。

第4圖繪示本發明實施例以第二電鍍製程與第三電鍍製程形成第一粗化層30時，電流密度(單位：安培(A))對時間(單位：秒(s))的關係圖。參照第4圖，當施加電流密度(Dk，單位為A/dm²)為19.5A/dm²時，係對應於第二電鍍製程，當施加電流密度為5.8A/dm²時，係對應於第三電鍍製程。如圖所示，第二電鍍製程與第三電鍍製程係交替進行。

在一實施例中，前述粗化鍍液包括濃度為5~50g/L的銅離子、濃度為60~150g/L的硫酸、濃度為10~500ppm的一添加劑，且進行第二電鍍製程的溫度介於攝氏10~40度之間。添加劑例如包括砷(As)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、鈷(Co)或鎢(W)。

在一實施例中，前述覆蓋鍍液包括濃度為10~60g/L的銅離子、濃度為60~150g/L的硫酸，且進行第三電鍍製程的溫度介於攝氏20~60度之間。

在形成第一粗化層30後，即完成如第1圖所繪示本發明實施例之厚銅箔結構100。在一實施例中，厚銅箔結構100的粗糙度(Rz)可 介於3~30μm之間。壓延層10之厚度L1可介於70~1000μm之間。第一電鍍層20之厚度L2可介於5~105μm之間。第一粗化層30之厚度L3可介於0.5~5.0μm之間。

然而，本發明並未限定於此。本發明實施例之壓延層10、第一電鍍層20以及第一粗化層30的厚度以及厚銅箔結構100的粗糙度，當視厚銅箔結構100之應用而有所改變。

舉例來說，當厚銅箔結構100係壓合於厚度約400μm之基板，厚銅箔結構100之粗糙度可介於15~20μm之間，第一電鍍層20之厚度L2可介於35~40μm之間。當厚銅箔結構100係壓合於厚度約100μm之基板，由於基板的厚度過薄，厚銅箔結構100之粗糙度過高可能會造成短路甚至貫穿基板，在此情況下，厚銅箔結構100之粗糙度可介於5~10μm之間，第一電鍍層20之厚度L2可介於9~12μm之間。

在上述實施例中，係以第一電鍍層20與第一粗化層30形成於壓延層10之第一表面11為例進行說明，但本發明並未限定於此。第5圖繪示本發明另一實施例之厚銅箔結構200的示意圖。在此實施例中，類似於第1圖所繪示之元件，係沿用相同之標號。如圖所示，厚銅箔結構200與前述實施例同樣包括一壓延層10、一第一電鍍層20以及一第一粗化層30。此外，厚銅箔結構200更包括一第二電鍍層25與一第二粗化層35。第二電鍍層形成於壓延層10之第二表面12’上，第二電鍍層25與第一電鍍層20同樣具有前述之第二晶型。第二粗化層35形成於第二電鍍層25上。在本實施例中，在完成壓延製程而後，同樣會於壓延層10之第二表面12’進行一酸蝕製程，以增加第二表面12’的粗糙度。

在本發明上述各實施例中，壓延層10、第一電鍍層20、第二電鍍層25、第一粗化層30與第二粗化層35之材質為銅或銅合金。此外，第一電鍍層20與第二電鍍層25之厚度，以及第一粗化層30與第二粗化層35之厚度不一定要相等，當視厚銅箔結構之應用可有所調整。

第6圖繪示本發明又一實施例之厚銅箔結構300的示意圖。如圖所示，厚銅箔結構300類似於第1圖所繪示之厚銅箔結構100，但厚銅箔結構300更包括一抗熱處理層40、一抗氧化層50及一有機矽烷層60，抗熱處理層40、抗氧化層50及有機矽烷層60依序設置於第一粗化層30上。實際應用上，厚銅箔結構100與200亦可如第5圖之厚銅箔結構300具有抗熱處理層40、抗氧化層50及有機矽烷層60。

形成前述抗熱處理層40包括以一鍍液進行電鍍，此鍍液例如包括濃度為5~50g/L的鎳離子(Ni²⁺)、濃度為0.5~5g/L的次磷酸鈉(NaH₂PO₂)、濃度為10~40g/L的硼酸(H₃BO₃)，且進行此製程的溫度介於攝氏20~60度之間。接著再以另一鍍液進行電鍍。此鍍液例如包括濃度為1~5g/L的鋅離子(Zn²⁺)、濃度為0.1~1.5g/L的鎳離子(Ni²⁺)、濃度為10~40g/L的硼酸(H₃BO₃)，且進行此製程的溫度介於攝氏20~60度之間。

形成前述抗氧化層50的步驟包括以一鍍液進行電鍍。此鍍液例如包括濃度為0.1~1.0g/L的鋅離子(Zn²⁺)、濃度為1.3~5g/L的氧化鉻(CrO₃)、濃度為5~40g/L的氫氧化鈉(NaOH)，且進行此製程的溫度介於攝氏20~60度之間。

前述有機矽烷層60例如為環氧矽烷(epoxy silane)、氨基矽烷(amino silane)、環氧矽烷與四乙氧基矽烷(tetraethoxylsilane)混合、氨 基矽烷與四乙氧基矽烷混合。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，-下文特舉實施例及比較例，來說明本發明所述之厚銅箔結構。

首先，以一壓延製程對一銅塊進行壓延，接著在攝氏70度的環境下，去除此壓延銅塊之表面的油脂。之後進行水洗與表面酸蝕，以形成一壓延層10。然後，以一第一電鍍製程形成第一電鍍層20，並進行水洗。接著，以一粗化鍍液進行一第二電鍍製程，以一覆蓋鍍液進行一第三電鍍製程。第二電鍍製程與第三電鍍製程係交替進行，以形成第一粗化層30，並進行水洗。

實施例1之厚銅箔結構，使用厚度400μm之市售壓延銅板，以第一電鍍製程形成厚度約35μm之第一電鍍層並水洗之後，再以第二及第三電鍍製程交替進行形成第一粗化層。實施例1之厚銅箔製作完成後，與市售(購自聯茂)之IT-140G FR-4板進行熱壓合製程。

實施例2之厚銅箔結構，使用厚度400μm之市售壓延銅板，以第一電鍍製程形成厚度約105μm之第一電鍍層並水洗之後，再以第二及第三電鍍製程交替進行形成第一粗化層。實施例2之厚銅箔製作完成後，與市售IT-140G FR-4板進行熱壓合製程。

比較例1為市售(購自台灣銅箔，三井)厚度105μm之電解銅箔，比較例2為市售(購自台灣銅箔，三井)厚度210μm之電解銅箔，與市售IT-140G FR-4板進行熱壓合製程。

比較例3為市售(購自台灣銅箔，三井)厚度105μm之電解銅箔，與市售IT-140G FR-4板進行熱壓合製程後，再以第一電鍍製程將 厚銅箔總厚度增加至350μm。比較例4為市售(購自台灣銅箔，三井)厚度210μm之電解銅箔，與市售IT-140G FR-4板進行熱壓合製程後，再以第一電鍍製程將厚銅箔總厚度增加至420μm。

下表一係整理本發明實施例1、實施例2、比較例1至比較例4的厚銅箔結構，其整體厚度、粗糙度與撕離強度之比較。

如表一所示，在相同的壓合條件及標準下，本發明實施例1具有較低的粗糙度及且具有相對於比較例1至4兩倍以上之撕離強度；實施例2由於銅箔與基板結合力太高，拉力試驗機的上夾具於測試中無法固定住銅箔而滑落，造成試驗中斷，但試驗時測得之最大值為10.5kg/cm。用於乘載大電流之銅箔電路層厚度非常厚，單純以電鍍製程進行耗時非常長，製程所用之生箔機台所需之曲率半徑很大、盤捲不易，且後處理機台的輪軸及輪面容易受損。因此，市售相同厚度之電解銅箔雖可承載大電流與具有不錯的撕離強度，卻不具備本厚銅箔結構發明在成本上之優勢。

承上述說明，本發明之厚銅箔結構包括壓延層、第一電鍍層 以及第一粗化層，其具有可依需求調節的表面粗糙度，同時兼具承載大電流與良好的散熱能力之優勢。此外，製造本發明之厚銅箔結構的方法簡易，可輕易地調整壓延層、第一電鍍層以及第一粗化層的厚度，生產成本較低，可應用於多種電子裝置。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧厚銅箔結構

10‧‧‧壓延層

11‧‧‧第一表面

12‧‧‧第二表面

20‧‧‧第一電鍍層

30‧‧‧第一粗化層

L1‧‧‧壓延層的厚度

L2‧‧‧第一電鍍層的厚度

L3‧‧‧第一粗化層的厚度

X、Y‧‧‧座標軸

Claims (14)

1. 一種厚銅箔結構，包括：一壓延層，具有一第一晶型，該第一晶型平行於一第一方向；一第一電鍍層，形成於該壓延層上且直接接觸該壓延層，該第一電鍍層具有一第二晶型，該第二晶型平行於一第二方向；以及一第一粗化層，形成於該第一電鍍層上，其中該第一電鍍層為一銅層，且該第一方向與該第二方向係為不同向。
2. 如申請專利範圍第1項所述之厚銅箔結構，其中該壓延層具有相對之一第一表面與一第二表面，該第一電鍍層設置於該第一表面上，且該厚銅箔結構更包括：一第二電鍍層，形成於該第二表面上，該第二電鍍層具有該第二晶型；及一第二粗化層，形成於該第二電鍍層上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之厚銅箔結構，其中該厚銅箔結構的粗糙度介於3~30μm之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之厚銅箔結構，其中該第一方向與該第二方向實質上垂直。
5. 如申請專利範圍第1項所述之厚銅箔結構，其中該壓延層之厚度介於70~1000μm之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之厚銅箔結構，其中該第一電 鍍層之厚度介於5~105μm之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之厚銅箔結構，其中該第一粗化層之厚度介於0.5~5.0μm之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之厚銅箔結構，其中該第一電鍍層係以一鍍液進行一第一電鍍製程所形成，該鍍液包括濃度為30~100g/L的銅離子、濃度為60~150g/L的硫酸、濃度為15~60ppm的氯離子、濃度為0.2~10ppm的動物膠或乙基纖維素，且進行該第一電鍍製程的溫度介於攝氏30~60度之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述之厚銅箔結構，其中該第一粗化層係以一粗化鍍液進行一第二電鍍製程與一覆蓋鍍液進行一第三電鍍製程所形成，且該第二電鍍製程與該第三電鍍製程係交替進行。
10. 如申請專利範圍第9項所述之厚銅箔結構，其中該粗化鍍液包括濃度為5~50g/L的銅離子、濃度為60~150g/L的硫酸、濃度為10~500ppm的一添加劑，且進行該第二電鍍製程的溫度介於攝氏10~40度之間。
11. 如申請專利範圍第10項所述之厚銅箔結構，其中該添加劑包括砷、鉬、鎳、鐵、鈷或鎢。
12. 如申請專利範圍第9項所述之厚銅箔結構，其中該覆蓋鍍液包括濃度為10~60g/L的銅離子、濃度為60~150g/L的硫酸，且進行該第三電鍍製程的溫度介於攝氏20~60度之間。
13. 如申請專利範圍第1項所述之厚銅箔結構，其中該壓延 層與該第一粗化層之材質為銅或銅合金。
14. 如申請專利範圍第1項所述之厚銅箔結構，更包括一抗熱處理層、一抗氧化層及一有機矽烷層，依序設置於該第一粗化層上。