刘建广（山东金宝电子股份有限公司，山东 招远 265400）

汽车电子的发展与电子铜箔的应对

刘建广
（山东金宝电子股份有限公司，山东 招远 265400）

文章介绍了汽车电子的分类与发展趋势，针对汽车用电路板的要求，阐述了相关铜箔的应对方案以及铜箔特性。未来，电子铜箔发展高峰，继智能手机之后，将会由汽车电子强力拉动。

汽车电子；铜箔；应对

1　汽车电子概况

汽车工业是现实技术创新最活跃的领域之一，大批量的电子控制产品及系统成为高端汽车的标准配置，并向低端车延伸。汽车电子产业将成为我国电子信息产业新的重要增长点之一。

图1　全球汽车电子市场增长趋势

1.1汽车电子类别

按照对汽车性能作用的影响划分，可以把汽车电子产品归纳为两类，一是汽车电子控制装置：它们和车上的机械系统配合使用，对汽车的正常行驶和安全舒适起控制作用，主要包括传动系控制、车身电子控制、行驶系控制、安全控制系统。例如电子燃油喷射、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、电控自动变速器、电子动力转向、巡航等。二是车载汽车电子装置，它们在汽车环境中能够独立使用，和汽车本身的性能并无直接关系。主要包括汽车信息系统、音响导航及电视娱乐系统、车载通信及网络、汽车胎压监测系统等。

图2　汽车电子分布图

1.2汽车电子的发展趋势和对PCB的要求

汽车电子的发展趋势，可以描述为横向和纵向两个方向。横向上向集中控制网络化、部件机电一体化、动力能源高容量化等方向发展，纵向则围绕环保节能性、安全舒适性、智能通讯性等三个方面发展。横向纵向相互影响，相辅相成。

1.2.1汽车电子向集中控制网络化发展

汽车技术飞速发展，功能越来越多，各种不同的功能需要众多独立的控制单元（ECU）来实现（豪车装有多达80个ECU）。为了减少连接导线的数量和重量，网络总线技术在汽车应用有了很大的发展，它将各个ECU连成一个网络，通过数据总线发送和接收信息，ECU除了独立完成各自的控制功能外，还可以为其它控制装置提供数据服务。总线技术对信号的高速传输和抗干扰提出了高要求。

1.2.2汽车的机械结构将被进一步“机电一体化”

各种操纵系统向电子化和电动化方向发展，取代相当一部分机械传动机构，实现“线操控”、“电操纵”或者类似“模拟操纵”。例如“导线制动”、“电子转向”、“电子油门”等。FPC在机电一体化装置的轻量化和可靠性中发挥着重要作用。

1.2.3汽车供电系统向高电压大容量化发展

汽车电子装置越来越多，现有的12伏电源已满足不了汽车上电气系统的用电需要。今后将会采用42伏供电系统，发电机最大输出功率将会由目前的1千瓦提高到8千瓦左右。随之而来，一些大功率的电力电子装置，需要通过大电流的PCB和导线来支撑，陶瓷基材在这方面性能表现突出。

1.2.4节能与环保是汽车最主要的发展趋势

电动汽车或混合动力汽车（HEVS）是未来重要发展方向。混合动力汽车系统可以提高燃油经济性达30%～40%，降低碳排放达60%。纯电动汽车的发展将采用容量更大充电更快的电池组，而这对锂电池铜箔的厚度提出了更薄的要求，6 μm锂电铜箔将会大量应用。

1.2.5安全与舒适是汽车持续追求的目标

市场对能够保证安全驾驶的技术和产品有着庞大的需求。当前汽车在被动安全技术领域已经取得了重大进展，最新的发展方向是主动安全性，例如汽车雷达防撞系统。

1.2.6汽车电子技术的应用将使汽车更加智能化

信息网络时代，汽车不仅仅是一种代步工具，更是生活及工作范围的一种延伸。汽车已经步入多媒体通讯时代。车载计算机多媒体系统，具有信息处理、通讯、导航、防盗、语言识别、图像显示和娱乐等各种功能，自动导航和辅助驾驶系统也会出现在系统中。智能手机成熟的软硬件设计制造技术，以及成熟的网络通信技术，会全部移植到车载智能系统中来。

2　汽车电子工作条件、测试标准及对PCB的要求

汽车由多达几千个电子零部件组成，因此这些电子零部件产品的可靠性显得十分重要，它们直接决定了整车的安全性及运行可靠性。见表1汽车电子的严酷的工作环境条件。

表1　汽车电子的工作环境条件

针对汽车电子产品有很多环境可靠性测试方面的要求及标准，常用的标准主要有ISO16750车载电设备系列、EIA-364系列标准连接器等。不同的测试环境条件会对产品产生不同的影响以及产生不同的故障，比如：高温测试条件下产品的器件会发生老化、气化、龟裂、软化、溶融、膨胀蒸发等，对应的汽车将会出现电路系统绝缘不良、机械的故障增加。低温测试条件下产品的器件会发生脆化、结冰、收缩凝固，机械强度降低等，对应的汽车将会出现电路系统绝缘不良、龟裂、密封故障等。因此，汽车电子必须经过大量的可靠性测试。

汽车电子PCB多采用特殊性能覆铜板材：高Tg，耐CAF，厚铜箔，陶瓷基板等。其可靠性主要体现在两个方面：一是要确保在寿命周期内保证正常运转；二是要确保在使用过程中经受环境变化保持功能完好。PCB必须满足作为交通工具所承受的各种工况：温度、气候、电压波动、震动、电磁干扰等。部分关键器件要求高低温循环500次～2000次（-40 ℃ ～ -125 ℃），42伏高压测试（常规测试12伏）。

3　汽车电子PCB用铜箔的应对

汽车电子中用到的PCB按照基材分有两大类：陶瓷基PCB和树脂基PCB。陶瓷基PCB最大的特点是耐热性高、尺寸稳定性佳，可直接用于发动机系统。按照应用场合不同，汽车电子PCB大致可以分为：单双面PCB、单双面FPCB、多层PCB、HDI板、刚挠结合板、金属基PCB、埋置元件PCB等。各种PCB的用量比例见表3。

表3的PCB中，其铜箔的应用大致可以分为五类。由于IC载板用量较小，汽车电池则属于另外一个领域，因此本文只论述四种汽车PCB用铜箔的特性以及制造关注点。

（1）刚性PCB：4 L、6 L、2 L、8 L、HDI、银浆贯孔等类型，一般采用HTE铜箔。对于HDI外层用途，HTE铜箔应采用较高耐热产品。

（2）挠性PCB：FPCB中一般采用LP型、VLP型或者RTF型铜箔，近年来RTF型铜箔的发展给PCB行业带来很多便利，应用逐渐增多。

（3）陶瓷基PCB：由于陶瓷基板制造工艺的不同，要求具有很大的载流能力，经常会采用厚铜箔、超厚铜箔或者是铜板。

（4）散热基PCB：根据其应用条件的不同，一部分较低产品可以采用HTE铜箔，一部分导热性较高产品需要使用VLP型甚至是FP型铜箔。

（5）IC载板：由于其线路的精细化，主要应用UTF型超薄铜箔，甚至是载体铜箔。

表2　汽车电子相关可靠性测试项目

表3　全球汽车PCB产品比重（2012年数据）

3.1刚性PCB用铜箔

对汽车电路板中比例最大的多层板、HDI、银浆贯孔板，用量最多的是HTE铜箔。近年来汽车电子的发展，耐环境性越来越严格，PCB的发展必须跟随上终端产品的提高，表现为四个方向：（1）高Tg基材应用逐渐增多；（2）环保要求提高，板材的无卤化渐成趋势；（3）高频高速的要求提高；（4）无铅制程的推广，对基材的耐热性、尺寸稳定性，以及耐CAF性直接提出挑战。IPC-4101B/99针对无铅FR4增加的四项要求：要求Tg≥150 ℃，Td≥325 ℃，Z-CTE≤3.5%（50 ℃ ～ 260 ℃），T288≥5 min，即是如此。

为了满足上述要求，刚性板用铜箔应着重从以下几点入手：

3.1.1 提高在高Tg、无卤素基材上的抗剥强度

汽车电子的一个明显特点是容易吸湿受热，而高Tg产品性能在吸湿后受热下明显优于普通基材。一般基材的Tg为130 ℃以上，中等Tg为150 ℃以上，高Tg 为170 ℃以上。基板的Tg提高，PCB的耐热性、耐潮湿性、耐化学性、耐稳定性等都会提高和改善。

当前基材无卤化的主流技术：一是以含P环氧树脂替代溴化环氧树脂；二是以含N酚醛树脂取代双氰胺做固化剂；三是添加无机阻燃剂。

上述的高Tg树脂体系与无卤化树脂体系对于铜箔而言，表现的一个主要特点是抗剥强度下降，因此必须改善，见表4。

表4　两种处理铜箔在不同基材上的抗剥强度

图3　新型的毛面粗化处理技术

应对此问题的措施：（1）通过加大粗化电流提高毛面的粗糙度来提高抗剥强度，效果当然明显，然而随着线路精细化程度的提高，增大粗糙度的做法并不可取。这可能会引起线路内短或者基材的耐电压击穿性能下降；（2）采用新的瘤化方法，将铜箔结瘤向山谷底部生长，以此来增大毛面的比表面积，提高与树脂的结合力。这是一种比较可选的方法，既保持了较低的M面粗糙度，又具有良好的粘结强度，见图3；（3）研究采用新型的。

硅烷偶联剂。高Tg体系与无卤化体系虽然其主体树脂仍然为环氧树脂，然而其固化体系的转变（常见以酚醛树脂作为固化剂）以及大量无机填料（例如二氧化硅）的加入，使得树脂与铜箔的桥接性能大为改变，传统的环氧基硅烷偶联剂已经不能完全适应。采用新型的硅烷偶联剂，对于提高抗剥强度是一条十分有效的途径。在硅烷偶联剂分子中，既有亲有机材料的非水解基团，又有亲无机材料的水解基团，见图4。水解基团包括-OR、-CL、-OsiM3，-Oac等，它们与硅原子直接相连，可水解成硅羟基从而与金属表。

图4　硅烷偶联剂的桥接示意图

面的氧化物或羟基相结合。非水解基团包括链烯基，环氧基，胺基，巯基，羟基等，它们通常通过若干个碳原子与硅相连，只有当有机基团能与相应的有机树脂反应时，才能提高复合材料的性能。由此可以看出，提高高Tg体系与无卤化树脂体系剥离强度最好的方法是采用既能与环氧树脂结合又能与酚醛树脂相结合的硅烷偶联剂。表4中的特殊处理铜箔就是采用了新型的复合硅烷偶联剂。

3.1.2降低铜箔的毛面粗糙度，减少趋肤效应，应对高频高速下的信号传输

汽车电子的发展与通讯系统一样，3G、4G通讯技术、无线网络等终端产品要求基材信号传输速度更快、传输损失更小。除了通讯系统之外，汽车本身高速化产品需求也在增多，比较典型的如汽车防撞雷达系统。基于超宽带技术的汽车雷达防撞系统，它通过发射GHz量级超宽带（宽度频率在3.1 G ～ 10.6 GHz之间）信号探测目标，用雷达原理测距测速，通过检测目标的回波来判断目标的存在。及早发现前方潜在危险的目标。

在高频化的系统里面，PCB部分要求基材绝缘层需要更低的介电常数（Dk）和更低的介电损耗角正切（Df），以及对导电层（铜箔）需要具备更低轮廓度，以缩短输送距离或者减少发射功率。信号的传输损耗（介质损耗与导体损耗）随频率的增加非常明显，见图5。

从图5可以看出频率从50 MHz开始，导体损耗上升明显，这主要由于“趋肤效应”所致。随着频率的增加，“趋肤效应”明显，电流只集中在导体的表面一层很薄的“皮肤”上，频率越高皮肤越薄。作为基板导电层重要部分，铜箔表面粗糙度对信号传送损失的影响十分重要。不同表面粗糙度铜箔制出的PCB，它在高频下的信号传送损失有很大差异。为了应对高频电路的信号传送损失，需要采用VLP铜箔、RTF铜箔甚至是无轮廓的FP铜箔。其中，RTF型铜箔由于其特殊的处理方法，以及在高频板上使用的诸多优点，获得了大量应用。

RTF铜箔由于其反向处理的特性使得其与基材结合面的粗糙度大为减少，接近VLP型铜箔，但是抗剥强度等性能并没有降低，见表5。

图5　信号传输损耗与频率的曲线图

表5　RTF铜箔特性表

3.1.3改善毛面阻挡层，使用多元合金化镀层，提高铜箔的耐热性

汽车电子中，以SMT、CMT为代表的高密度安装技术使得PCB尺寸越来越小。然而制程中的多次贴装对外层铜箔与基材之间的附着力冲击最大，往往造成内层线路没有问题，而外层线路出现起泡报废。另外，在无铅焊料的高温冲击下，板材的耐CAF性能显得更加突出。高温下免洗助焊剂活性会过早耗尽，而只能采用非挥发性的水溶助焊剂，这易使基材发生CAF现象。从迁移离子的来源来看，主要有铜离子、卤素阴离子、铵离子这几种。其中卤素离子不仅自身容易发生迁移，还可以与铜离子发生协同作用造成迁移。改善此问题的措施：一是采用无卤素树脂，二是管控铜离子的来源。对于化学镀过程中造成的CAF可以从改善树脂入手来改善钻孔性，我们研究的是要解决铜箔自身产生的铜离子问题。应对这一问题最好的方法是采用多元合金化镀层作为阻挡层，来提高耐热性以及耐CAF。

通常状况，过渡层、耐高温层、防氧化膜是分次镀一层很薄（约50纳米）的铜-砷合金，或者是锌镍合金、钴钼合金、铜-氮合金、铜-锑合金，或镀镍、镀钴等超微细的结晶，再加锌铬酸盐防锈。几种盐膜厚度比例，既会影响铜箔的耐热性，又会影响铜箔的耐化学药水性。镀层中的镍、钴含量高，其耐热性与耐CAF性会提高。过渡层与耐高温层的厚度比值越大，耐腐蚀性越强，相反则越差，每层沉积量控制在100×10-6以下最好。

图6　普通HTE型铜箔与RTF型铜箔结构图

3.1.4提高铜箔的高温延伸率，适应基材的CTE

多层PCB以及HDI制程组成的复合物中，各种材料的CTE相差较大：XY方向因受玻纤布的牵制，CTE约在（12～15）×10-6/℃左右，但是Z方向在无拘束下将扩大为（80～90）×10-6/℃，而铜的CTE在16.8× 10-6/℃左右。这是造成PCB制程爆板分层的一个经常性因素。铜箔延伸率改善的作用旨在同步XY方向的CTE，以减少多次层压或者SMT造成的内部线路断裂。图7是三井橡树高延伸率铜箔特性与形貌。

图7　三井橡树高延伸率铜箔特性与形貌

3.2挠性PCB用铜箔

随着汽车电子集成化的发展，FPCB在汽车上的应用越来越多，由于其短小轻薄的特点，使得汽车的功能性越来越强，且重量并未增加。

汽车FPCB的特点，既有高速高频信号传输要求，又有较高的抗剥强度要求。既有无卤化环保要求，又有严格的耐热耐湿等耐候性要求。作为铜箔，其对应的方向主要有两点：一是降低铜箔的毛面粗糙度，二是提高铜箔的抗拉强度，提高耐弯折性。

3.2.1降低铜箔的毛面粗糙度，适应高速高频要求

其原理与3.1.2相同。由于趋肤效应的原因，不同粗糙度的铜箔，对信号损耗影响较大，见图8。

因此，在FPCB中VLP铜箔（及RTF铜箔）获得了大量应用。表6。

3.2.2提高铜箔的抗拉强度，提高耐弯折性

汽车FPCB的一个主要特点是安装的弯折性，从图9来看，汽车FPCB对基材的耐弯曲有着更为严格的要求，诸如汽车齿轮向控制器，它的面积比较大，接点比较多，其可靠性涉及人身安全，绝不能出现驾驶过程中线路断裂、控制失灵等现象。

图8　常规铜箔与VLP铜箔传输损耗的差异

图9　FPCB在汽车内的安装

表6　VLP型铜箔产品特性表

铜箔对于FPCB耐弯折性的改善，主要方向就是要提高铜箔的抗拉强度和延伸率，但是这两个似乎是一对矛盾。在这方面，添加剂在铜箔生产中起着重要的作用。用于改善铜箔毛面峰谷形状的水解动物蛋白粉（明胶）和PEG等有机添加剂，加大了阴极极化和抑制金属异常生长，以提高铜箔的弹性、强度、硬度、延伸率和平滑感。表7铜箔即是这种方法生产。

3.3陶瓷基PCB

陶瓷基板由于其自身所具有各种优秀的性能（优良的电绝缘性、高导热性、可蚀刻性、软钎焊性和大的载流能力），已成为大功率电力电子电路互连技术的基础材料。新能源汽车中许多场合都要用到氧化铝陶瓷基板或者氮化铝氮化硅基板。陶瓷基板导热性很高，热导率一般可达到（35 ～ 170）W/m·K，最适合大电流通过以及功率器件的散热。

陶瓷基板中铜与陶瓷的结合并非是层压，而是采用高温键合技术（DCB），DCB是铜箔在高温下直接键合到氧化铝或氮化铝陶瓷基片表面（单面或双面）上的特殊工艺方法。

鉴于陶瓷基板的特性，其制造一般辅以使用厚铜箔或者是超厚铜箔。优点明显：（1）良好的热导率使大功率芯片的密集安装成为可能；（2）厚铜箔替代了原来的电缆配线、金属板排条等输电形式，提高了生产效率，提高了配线的设计自由度，实现终端产品的小型化；（3）由于较厚的铜层能承受更高的电流负载（在相同截面下仅需要普通PCB板12%的导体宽度），因此在单位体积内能传输更大的功率，提高了系统和设备的可靠性。

对于厚铜箔与超厚铜箔（通常将公称厚度为105 μm及其以上的经表面处理电解铜箔或压延铜箔统称为厚铜箔，将厚度300 μm及其以上的铜箔称为超厚铜箔）。由于陶瓷基板其工艺的特殊性，它需要注意两个问题。一是表面粗糙度，二是致密度。

3.3.1厚铜箔表面粗糙度不能太高

厚铜箔的表面粗糙度过大或毛面存在较高凸起点，会造成局部介质层厚度减少，使个别点的导电间距缩短，基板的绝缘可靠性下降，陶瓷基板亦是如此。DCB制程是在高温及一定含氧量气氛中，金属铜表面首先氧化形成一薄层Cu2O，当温度高于低共熔点时，出现Cu-Cu2O共晶液相，其中的Cu2O与Al2O3陶瓷部分发生化学反应形成CuAlO2，冷却后通过Cu-Al-O化学键结合，而另一侧，Cu2O与Cu金属部分则是靠Cu-O粒子键以物理融合的方式紧密联系起来的。在这一过程中，铜牙的高度并未被削减。图11为国内公司生产的411.6 μm（12 oz）电解铜箔截面图（Ry值仅为7.5 μm）。

表7　12μm VLP原箔的主要性能

图10　用高温键合技术制造陶瓷基板的工艺过程

3.3.2厚铜箔需要有较高的致密性以利导电与散热

单质金属导热系数与其结晶形态以及结晶形态引发的密度变化相关，即：就单质金属而言，其导热系数与其密度成正比。

陶瓷基板中，超厚铜箔导热系数比较重要。原铜的致密性对于压延铜箔没有问题，它制造过程中的反复轧制使致密度大大提高。就电解箔铜箔而言，不同的生箔工艺其致密性却不一致，常规电解铜箔密度范围大致在7.0 g/cm3～ 8.0 g/cm3，难以达到铜的理论密度8.90 g/cm3。必须采用特殊的混合添加剂才能完成，一般采用含硫有机物与胺类化合物等，其特点在于：添加剂溶于水中引导铜结晶在横向生长更均匀，其电沉积结构由传统HTE铜箔的柱状结晶向层状结晶类型转变，层状晶体颗粒较柱状更细腻，提高了致密度（实际密度可以达到8.84 g/cm3、8.81 g/cm3，已接近铜的理论密度），使轮廓度更低（Rz≤5 μm），也提高了铜箔的导热性。表8国内外两种超厚电解铜箔密度测试，实际测量工具千分尺。

图11　国内公司生产的12oz超厚铜箔截面图

3.4散热基板PCB用铜箔

汽车电子中散热基板PCB应用的地方主要有电子调节器、点火器、电源控制器、LED照明等，其中最广泛的是LED照明系统。从现有的各类不同结构散热基板综合性能的比较，金属基板以其优良的性能和逐渐降低的价格，在众多LED散热基板中显示出很强大的竞争力，它可能成为未来大功率LED基板发展主流品种。

金属基板的结构主要有三部分组成：线路层、导热绝缘层、金属散热层。因为铜层与金属基层都是热的良导体，从散热角度，绝缘层是金属基板最核心的技术，它要起到粘接、绝缘和导热三大功能。绝缘层一般是由特种陶瓷填充聚合物构成，热阻小，粘弹性能优良。绝缘层导热性能越好，越有利于器件运行时所产生的热量扩散。与陶瓷基板一样，电路层要求具有大的载流能力，其铜箔厚度一般在35 μm ～ 280 μm。金属基板一般采用HTE铜箔即可，由于其与金属基板的良好散热性，与传统FR4相比，采用相同的厚度，相同的线宽，金属基板能够承载更高的电流。高端的则采用VLP铜箔甚至FP铜箔。

图12　金属基板在LED中应用

金属基板用铜箔的一个关键点在于铜箔的粗糙度。根据图12的结构，为了降低绝缘层的热阻，基板厂家都会在绝缘层的厚度和导热性下功夫，较薄的绝缘层使得线路与金属基之间的击穿距离很近，因此要求铜箔具有较低的表面粗糙度。新型的特殊处理铜箔，具有极低的表面粗糙度，只需1/3的粗糙度，却能实现与FR4用铜箔同样的抗剥强度。见图13。

日矿曾经展示过：Catalyst Bond Process处理方式的铜箔，与上图接着力类似。这种处理方法中加入的添加剂为Pt催化剂，利用hfac配体与铜箔的较强的结合力来完成Pt（hfac）2与Cu的氧化还原反应，从而改善铜箔毛面的性能，达到提高铜箔与绝缘层结合力的目的。见图14。

表8　国内外两种超厚电解铜箔密度测试表

图13　超低粗面铜箔与普通铜箔接着力比较

图14　Pt（hfac）2在铜箔表面的处理原理

3　结语

中国汽车市场的高速增长促成了汽车电子市场规模的成倍增长，当前与汽车行驶安全和控制相关性较大的电子产品还是主要掌握在德国和日本企业中。而车载娱乐、导航、信息系统，是中国汽车电子市场的主要方向。

在2015年3月CPCA论坛上Prismark报告了汽车电子的增长率：2012/2013为4.0%，2013/2014为7.9%。在PCB领域，2014年汽车电子增长最快，为4.8%。可以预见：未来PCB产业增长点将会由汽车电子拉动。随之，电子铜箔发展高峰，继智能手机之后，也将会由汽车电子强力拉动。

［1］王伟泰. 汽车电子的行业现状和发展趋势及对电路板的要求（1）［J］. 印制电路信息， 2011，2.

［2］龚永林.汽车用印制电路板特性［J］. 印制电路信息， 2015，4.

［3］闫成福，聂建红. 现代汽车电子控制技术的应用现状与发展趋势［J］. 汽车维修与保养， 2004，9.

［4］刘浩. 浅谈汽车用PCB环境与可靠性试验［J］. 印制电路信息， 2011，3.

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［9］蒋卫东. 覆铜板用厚铜箔产品的性能及其应用［J］.印制电路信息， 2013，2.

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［11］HLPLC Foil Ultra-low profile copper foil，日矿资源网站.

［12］山东金宝电子股份有限公司产品说明书.

刘建广，副总工程师，长期从事铜箔工艺研究、设备设计、系统设计工作。

The countermeasures for the development of automotive electronics and electronic copper foil

LIU Jian-guang

This paper introduces the classification and development trend of automotive electronics in view of the automotive circuit board， by expounding the relevant plan of copper foil and copper foil characteristics. In the future，after the Smartphone， the electronic copper foil development peak will be strong pulled by the automotive electronics.

Automotive Electronics； Copper Foil； Countermeasures

TN41

A

1009-0096（2015）08-0020-09