石墨烯金属化孔技术应用前景

石墨烯金属化孔技术应用前景

陈金文1  苟辉1  李冬1  杜姣1陈伟元2

1中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所  陕西省西安市  710068

2深圳市赛姆烯金科技有限公司  广东省深圳市  518125

摘要：随着电子行业的快速发展，对多层印制板（PCB）的性能要求越来越高。传统的化学沉铜工艺在孔金属化过程中存在一些局限性，如成本高、环境影响大和工艺复杂等。近年来，石墨烯因其独特的电学、热学和机械性能而受到广泛关注。本文探讨了使用石墨烯作为金属化材料替代传统化学沉铜工艺在多层印制板生产中的应用前景，分析了其潜在的优势和面临的挑战，并展望了未来的发展方向，旨在为相关工作人员提供借鉴参考。

关键词：石墨烯；金属化孔；半金属；应用

引言：随着科学技术的发展,电子产品向着小型化、高集成化的方向快速发展,对印制电路板(PCB)的性能要求也越来越高。多层印制板因具备布线密度高、介质损耗小以及抗干扰能力强的特点,被广泛应用于计算机、通信系统和军工领域。为实现多层印制板之间的电连接,标准工艺过程需要先进行钻孔,然后对孔壁进行金属化处理,再进行镀铜,从而实现各层之间的电气连接。目前,多层印制板行业实现孔壁金属化的主流技术是化学沉铜工艺,也称作电解沉铜。但这种工艺存在环保问题以及工艺复杂等缺点。近年来,随着石墨烯材料的快速发展,利用石墨烯的优异性能来代替传统化学沉铜工艺实现孔壁金属化的技术受到广泛关注。

一、石墨烯的基本特性及其在电子互连中的应用潜力

石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料,它的发现为电子印制板行业带来了新的互连材料选择。石墨烯只有0.335nm的原子层厚度,是目前已知的最薄材料。这使其成为实现高密度互连的理想选择。此外,石墨烯具有极高的载流能力,电子迁移率可达15000 cm2/(V·s)，室温下的量子霍尔效应使其最小导电率可达6 mS/cm,满足互连应用的低阻抗需求。另外,石墨烯也具备优异的热导性,略高于金刚石,为电子设备的热管理提供了新途径。更重要的是,石墨烯拥有高达130 GPa的抗拉强度,大大高于铜和铝,这使其成为良好的互连结构材料,可以有效应对印制板在使用过程中的各种应力。目前,石墨烯的批量合成技术已经相当成熟,主要的方法包括化学气相沉积(CVD)法、液相剥离法和机械剥离法等。这些技术都可以生产出规模化的石墨烯产品。印制板作为电子互联的重要组成部分,石墨烯薄膜的加入为其带来了新的机遇。比如,在柔性印制板等新兴电子产品上,可使用石墨烯作为互连材料,形成轻薄灵活的线路,满足可折叠和可撓曲的需求。此外,也可以利用石墨烯制作高密度互连基板,实现更紧凑的布线,满足现代电子产品对小型化和高集成的需求。

二、石墨烯金属化孔技术的工艺研究

石墨烯金属化孔技术的核心是将石墨烯薄膜均匀地沉积在印制电路板(PCB)基板的微孔壁上,从而实现层间电连接的目的。目前,该技术的工艺研究主要集中在石墨烯的合成方法以及沉积方式上。根据沉积方式的不同,目前已开发出直接生长法、转移法和喷涂法等多种石墨烯金属化孔技术。直接生长法是通过在PCB基板上直接生长石墨烯薄膜,这避免了转移过程中的缺陷产生,但对基板材料和工艺条件要求较高。转移法是先在其他基板如铜箔上大面积合成石墨烯,然后通过转印的方式将其转移到PCB基板孔壁上,这种方法工艺简单,但转移过程中易产生折叠、破裂等缺陷。喷涂法利用载体液将石墨烯分散液喷涂到孔壁,可控性较好但涉及后处理较复杂。上述各种方法在实验室研究中都表现出很好的可制造性,都可沉积出质量较好的导电石墨烯薄膜,实现了PCB基板上微孔的有效金属化。但要实现工业化量产,还需要从简化工艺、提高产量、控制质量稳定性等方面进一步优化。此外,与基板的界面结合以及长期使用稳定性也是重要的研究方向。这需要PCB领域跨学科人才的通力合作,在现有研究基础上深入开展系统工程化研究,通过材料、工艺和设备创新,推动这种前沿技术实现规模化生产。

三、石墨烯金属化孔技术的优势分析

相比目前印制板行业中的主流化学沉铜工艺,石墨烯金属化孔技术显示出明显的优势:首先,石墨烯的密度仅为2.267g/cm3,是铜的1/6左右,这意味着在保证导电性能的同等条件下,使用石墨烯可以减轻印制电路的整体重量。轻量化设计是现代电子产品的重要发展趋势,这为石墨烯金属化技术提供了广阔的应用空间。其次,石墨烯金属化孔全过程不需要有机溶剂和腐蚀性试剂,无污染废液产生,过程环保。而传统化学沉铜需要大量的化学试剂,存在一定的环境污染风险。这对于满足日益严格的环保要求具有重要意义。另外,石墨烯本身具有优异的热导性和抗高温氧化稳定性,在2000°C环境下仍保持其完整结构,这使得石墨烯金属化PCB的可靠性和耐久性都有望得到提高。这对于一些苛刻使用环境的电子设备具有重要意义。此外,石墨烯的高导电性能也可保证电子产品的稳定工作。实验测试表明,石墨烯金属化PCB各项电性能参数可完全满足国内外相关标准。综上所述,石墨烯金属化孔技术集轻量化、环保性与高性能于一身,相比化学沉铜工艺具有显著的综合优势。这使其有望成为未来印制板互连制造技术的新趋势。

四、未来发展方向

石墨烯金属化孔技术作为一种前沿的印制板互连新技术,其未来的发展主要集中在以下几个方面:第一,优化生产工艺,实现大规模高效低成本制备。要实现石墨烯金属化孔技术的大规模工业化应用,优化生产工艺,实现高效低成本制备是关键。目前该技术主要采用的沉积方法包括化学气相沉积、转移法等,这些方法或设备投资大、效率低,或无法实现连续化生产。因此,一个主要的发展方向是开发适用于连续化高速生产的成膜设备,并与现有的印制板生产线实现无缝连接,这是实现真正意义上的规模化应用的必要条件。此外,通过开发新的基板表面预处理方法和石墨烯修饰方法也可简化工艺、缩短工艺时间,降低成本。比如,利用激光、等离子体等对基板预处理,优化基板表面形貌,有利于后续的膜层生长。开发一些新型功能基团对沉积的石墨烯薄膜进行修饰,可提高其与基板的界面结合力,改善其抗氧化与抗腐蚀性能。这些都是实现高速低成本量产的重要手段。第二,通过复合材料设计进一步提升石墨烯的导电性、截止频率以及环境稳定性,增强其在高速高频通信产品中的应用规模。第三,利用石墨烯的柔韧性,拓展其在柔性和可穿戴电子产品的互连应用。这是符合未来电子产品轻薄短小发展方向的新的增长点。第四,汲取最新研究成果,利用石墨烯在新型电子器件如量子计算元件中的应用前景,拓展其在三维集成电路等领域的创新应用。总体而言,产业化技术研发与材料创新协同推进是石墨烯金属化孔技术未来发展的主线。这需要政产学研用各方协同合作,以市场需求为导向,深入开展工艺和材料系统的优化创新,以期在未来新兴电子产品的互连应用中占据重要一席之地。

结束语：

综上所述，石墨烯金属化孔技术以其独特的优势，预示着在印制板行业中具有巨大的应用潜力和市场前景。随着科技的不断进步和跨学科研究的深入，石墨烯互连技术的工业化大规模生产将有望实现，从而为电子产品的性能提升、环保制造以及创新发展开辟新的路径。未来的研究应聚焦于工艺优化、成本控制及质量稳定性等关键问题，以推动石墨烯金属化孔技术从实验室走向工业应用，满足日益严苛的市场需求。同时，积极探索石墨烯在新兴领域如柔性电子、高频通信和三维集成电路中的应用，将进一步拓展其应用范围并促进相关产业的升级与发展。

参考文献：

[1]陈伟元.石墨烯金属化孔技术应用前景[J].印制电路信息,2023,31(07):21-24.

[2]陈伟元.新的环保型PCB金属化孔技术——石墨烯金属化孔工艺和失效模式分析[J].印制电路信息,2020,28(03):43-49.