铜箔基板品质术语之诠释

1、铜箔基板品质术语之诠释1.前言：有关铜箔基板(Copper Claded Laminates，简称CCL)的重要成文国际规范，早期以美国 军规 MIL-S-13949H(1993) 马首是瞻，直至后才被一向视为配角的 IPC-4101 所取代。原因是 业界进步太快，而美军规范一向保守谨慎，来不及跟上 HDI 商品化的实质进步，于是只好 退守军品的严格领域。至于为数庞大的商业电子产品，就另行遵循灵活新颖的IPC商用规范了。IPC-4101 之硬质铜箔基板规范，其 21 号规格单为最常见 FR-4 板材之品质详细规格， 共列有 13 种品质项目。 其中有的较为浅显者， 几乎一看就懂无需赘言， 如铜

2、箔之抗撕强度 等。 但有的不但字面费解难以查考， 且经常是同一术语却有数种不同说法， 似是而非扑朔迷 离，每每令人困惑而不知所从。然久而久之也就见怪不怪麻木不仁了，只要按方法去检验， 或按规格去允收即可，管那许多原理原因做什么。至于那些项目为何而设影响下游如何每项是否一定要做也就懒得再去追究，甚至连真正定义原理也多半似懂非懂， 反正人云亦云以讹传讹。 唬来唬去只要朗朗上口， 就显得学问奇 大无比经验炉火纯青， 日久积非成是之余， 一旦有人以正确说法称呼之， 难免不遭白眼视为 异类。鸣呼！君不见 "Long time no see 与 no can do" 早已成了漂亮的英文

3、，说不定那天 "People mountain people sea " 也会大流其行呢。但不管众口能否铄金，是非真理总还是要 讲个清楚说得明白才不失学术良心， 做人做事也才有格， 这应与学历或官位扯不上关系。 以 下即按IPC-4101后列规格单(Specification Sheet)中的顺序对各术语试加诠释，尚盼高明指正。21 规格总表PC-4101/21 规格总表3.最重要的品质术语诠释Permitivity(相对寸容电率 或Dielectric Constant(Dk)介质常数(最重要)错误说法此词经常被不明原理者，仅就其 “字面 ”似是而非的误称为 “介电常数

4、”有!时连一些不够 严谨的字典也常犯错。事实上， Dielectric 本身是名词，即 “绝缘材料 ”或“介电物质 ”之意；故 知“介质常数 ”本身是 “名词 +名词”所组成的名词，是材料的一种常数。而 Dielectric 此字并非 形容词的 “介电 ”，用以形容 “常数 ”而得到的 “介电常数 ”，似乎是在说 “介电性质的常数 ”。请 问这倒底指的是什么天天挂在嘴上的人有谁曾用心想过人之通病多半是想当然耳 !原理说明此词原指每 “单位体积 ”的绝缘物质，在每一单位之 “电位梯度 ”下，所能储蓄 “静电能量(Electrostatic Energy)的多寡而言。猛看之下，一时并不容易听懂。此

5、词尚另有较新的同义字 “容电率 ”(Permittivity 日文称为诱电率)， 由字面上可体会到 与电容(Capacitanee)之间的关系与含义。当多层板绝缘板材之容电率"较大时，即表示讯号线中的传输能量已有不少被蓄容在板材中，如此将造成 “讯号完整性 ”( Signal Integrity ) 之品质不佳，与传播速率( Propagation Velocity )的减慢。换言之即表示已有部分传输能量 被不当浪费或容存在介质材料中了。是故绝缘材料的 “介质常数 ”(或容电率)愈低者，其寸 讯号传输的品质才会更好。目前各种板材中以铁氟龙(PTFE)，在1 MHz频率下所测得介质常数

6、的为最好， FR-4 约为。3.1.3 电容诠释上述介质常数（ Dk ）若在多层板讯号传输的场合中，还可以电容的观点详加诠释如下：由上左图可知 MLB 中，其讯号线层与大地层两平行金属板之间，夹有绝缘介质（即胶 片之玻纤与环氧树脂）时，在讯号传输工作中（也有很小的电流通过）将会出现一种电容器 （ Capacitor ）的效应，其公式如下：由式中可知其电容量的多寡，与上下重叠之面积 A （即讯号线宽与线长之乘积）及介 质常数 Dk 成正比，而与其间的介质厚度 d 成反比。从电容计算公式看来，原 “介质常数 ”的说法并无不妥。但若用以表达板材之不良 “极性 时，则不如 “容电率 ”来得更为贴切。因

7、而目前对此Dk ，在正式规范中均已改称为更标准说法的相对电容率& r了。注意&是希腊字母Episolon，并非大写的E,许多半桶水者经常写 错也念错。事实上， 绝缘板材之所以会出现这种不良的 “容电 ”效果， 主要是源自其材板材本身分子 中具有极性（ polarity ）所致。由于其极性的存在，于是又产生一种电双极式的 “偶极矩 ”（D ipole Moment,例如纯水25C于Benzene中之数值即为），进而造成平行金属板间之介质材 料，对静电电荷产生 “蓄或容 ”的负面效果， 极性愈大时 Dk 也愈大， 容蓄的静电电荷也愈多。纯水本身的 Dk 常高达 75,故板材必须尽量

8、避免吸水,才不致升高Dk 而减缓了讯号的传输速度,以及对特性阻抗控制等电性品质。业界重要的铜箔基板（CCL ）规范，如早期的 MIL-S-13949H （1993），现行的IPC-4101（1997）以及 IEC-326 等,均已改称为 Permittivity 而不再说成 Dk 了。然而国内业者知道&的人并不多，甚至连原来的Dk也多误称为 介电常数”，想必是前辈资深者天天忙碌与辛苦之下，只好不求甚解自欺欺人以讹传讹，使得后进者也糊里胡涂不得不跟着错下去了。应用诠释上述 “相对容电率 ”（即介质常数）太大时，所造成讯号传播（输）速率变慢的效果，可 利用着名的 Maxwell Equat

9、ion 加以说明：Vp （传播速率）=C （光速）/v（周遭介质之相对容电率）此式若用在空气之场合时（&于1）,此即说明了空气中的电波速率等于光速。但当一 般多层板面上讯号线中传输方波讯号"时（可视为电磁波），须将FR-4板材与绿漆的e （ Dk ）代入上式，其速率自然会比在空气中慢了许多，且e愈高时其速率会愈慢。正如同高速公路上若有大量污泥存在时，其车速之部份能量会被吸收，车速也会随之变慢。 还可换一种想象来加以说明， 如在弹簧路面上跑步时， 其速度自然不如正常路面来得 快，原因当然还是部份能量被浪费在弹跳上了。由此可知板材的e要尽量抑抵的重要性了，且还要在温度变化中具有稳

10、定性，方不致影响 “时脉速率 ”不断提高下的讯号品质。不过若专业生产电容器时，则材料之e反而要越高越好，而陶瓷之e常在100以上正是容器的理想良材。测试方法IPC-4101对e及Df,都指定按IPC-TM-650之法去做，即以 Balsbaugh品牌之LD3 Di electric Cell去测Air的电容值（C1），及测Dow Corning 200 Fluid油的电容值（C2）,再测 第一样板（板层）的电容值（C3），之后又测第二样板的电容值（C4）,即可利用其公式：然后再测液油的导电度 G1，及第一样板的导电度 G2,并利用其公式计算出Df但上述做法是在 1MHz 的频率下所测，所得数据

11、已远不敷实际需要，对于近年来工作 频率高达 1GHz 甚至在 1GHz 以上之 Dk 者，则需另采 “真空腔 ”方式（ Vacuum Cavity ）去 测试才行，但此法在业界尚未流行。Loss Tanget损失正切/ DisspationFactor （ Df ）散失因素（最重要）原理说明此词在信息业与通信业最简单直接了当的定义是讯号线中已漏失（Loss）到绝缘板材中的能量，对尚存在（Stored ）线中能量之比值”。但本词在电学中原本却是对交流电在功能损失上的一种度量，系绝缘材料的一种固有的性质。即 散失因素”与电功损失成正比，与周期频率（f）、电位梯度的平方（E2）,及单 位体积成反比，

12、其数学关系为当此词Df用于讯号之高速传输（指数位逻辑领域）与高频传播（指RF射频领域）等信息与通讯业中，尚另有三个常见的同义字，如损失因素（Loss Factor）、介质损失（Dielectric Loss），以及 损失正切Loss Tangent （日文称为损失正接）等三种不同说法的出现， 甚至 IC 业者更简称为 Loss 而已，其实内涵并无不同。世界上并无完全绝缘的材料存在， 再强的绝缘介质只要在不断提高测试电压下， 终究会 出现打穿崩溃的结局。即使在很低的工作电压下（如目前CPU的V），讯号线中传输的能量也多少会漏往其所附着的介质材料中。 正如同品质再好的耐火砖， 也多少会散漏出一些热

13、 量出来。三角函数诠释讯号线于工作中已漏掉或已损失掉的能量， 就传输本身而言可称之 “虚值”，而剩下仍可 用以工作者则可称之为实值”。所谓的Df,就是将虚值（£）'比上实值（门，如此所得的比值正是“散失因素”的简单原始定义。现再以虚实坐标的复数观念说明， 并以图标表达如下：由上图三角函数的关系可知：Tand =对边 邻边=&”/ or'=虚 实，这 Loss Tangent 岂不正是 Df 的原始定义的另一种分身面貌吗故知 Tand 损失正切(或 日文的损失正接，由图可知&正接于e)'的 跩文"说法(Buzzword)完全是故弄玄虚卖

14、弄学问 唬唬外行而已，说穿了就不值一哂。应用诠释对高频(High Frequency)讯号欲从板面往空中飞出而言，板材Df要愈低愈好，例如800MHz时最好不要超过。否则将对射频(RF)的通讯(信)产品具有不良影响。且频率愈高时，板材的 Df 要愈小才行。正如同飞机要起飞时，其滑行的跑道一定要非常坚硬，才不 致造成能量的无法发挥。Q-Factor 品质因素又，基材板品质术语中还有一种"Quality Factor”简称为Q Factor)的术语，其定义为上述之 实/虚”，恰与Df成为反比，即 Q Factor = 1/Df。高频讯号传输之能量， 工作中常会发生各种不当的损失， 其一是

15、往介质板材中漏失， 称 为Dielectric Loss。其二是在导体中发热的损失，称为Conductor Loss。其三是形成电磁波往空气中损失称为Radiation Loss。前者可改用 Df较低的板材制作高频电路板，以减少损失。至于导体之损失，则可另以压延铜箔或低棱线线铜箔，取代明显柱状结晶的粗糙E. D.Foil (Grade 1)，以因应不可避免的集肤效应(Skin Effect)。而辐射损失则需另加遮蔽(S hielding ) ，并导之于“接地层”的零电位中，以消除可能的后患。一般行动电话手机板上， 做为区隔用途的围墙（Fence）根基（即镀化镍金之宽条），其众多接地用的围墙孔（

16、Fenee H ole），即可将组装后金钟罩所拦下的电磁波，消弥之于接地中，而不致于伤害到使用者的 脑袋。测试方法与前相同。Flammability 燃性 （最重要 ）说明本词实际上是指板材树脂的难燃性”（Inflammability ）而言，重要规范与规格之来源有二，即 （1）UL-94 and UL-796 （2）NEMA LI1-1989 。常见之 FR-4、FR-5 等术语即出自 NEM A之规范。为了大众安全起见，电子产品的用料均须达到难燃”或 抗燃”的效果（即指火源消失后须具自熄 Self-Distinguish 的性质） ，以减少火灾发生时的危险性， 是产品品质以外 的安全规定。

17、许多不内行的业者所常用的广告词竟出现： “本公司产品品质均已符合 UL 的 规定”，是一种“铁路警察查户口”式的笑话。做法本项目的做法，可按 UL-94 或 NEMA LI1-1989 ，不过 IPC-TM-650 之法却是引用前者。 其无铜试样之尺寸为： 5 寸 X5 寸（厚度视产品而不同），每次做 5 样，每样试烧两次。试 烧用之本生灯高 4 寸，管口直径寸，所用瓦斯可采天然气，丁烷，丙烷等均可，但每ft3须具有1000BTU的热量。若出现争议时，则工业级的甲烷气（ Methane）可作为标准燃料。点燃火焰时， 其垂直焰高应为寸之蓝焰， 可分别调整燃料气与空气的进量， 直到焰尖为 黄色而焰

18、体为蓝色即可。 试样应垂直固定在支架上， 夹点须在寸的边宽以内， 下缘距焰尖之 落差为寸。试烧时将火焰置于之试样下约10± 秒后，即移出火源，立即用码表记下火焰之延烧秒数。直到火焰停止后又立即送回火苗至试样下方，再做第二次试烧。如此每样烧两次，五样 共烧 10 次，根据 NEMA 之规定， 10 次延烧总秒数低于 50 秒者称为 V-0 级，低于 250 秒者 称为 V-1 级，凡符合 V-1 级难燃性的环氧树脂，即可称为 FR-4 级树脂。但 IPC-4101/21 中的报告方式，却是采 “平均燃秒 ”上限不可超过 5 秒，与 “单独燃秒 ”上 限不可超过 10 秒，作为计录。溴化

19、物抗燃说明一般性环氧树脂，是由丙二酚（ Bisphenol A ）与环氧氯丙烷（ Epichloro Hydrin ）二者 所聚合而成，并不具难燃性（Flame Retardent），无法符合UL-94的规定。但若将 丙二酚” 先行溴化反应，而改质成为 “四溴丙二酚 ”，再混入液态环氧树脂（ A-stage） ，使其溴含量之 重量比达20%以上时，即可通过UL-94起码之 V-1规定，而成为难燃性的FR-4 了。电子产品一旦发生火灾或燃烧处理废板材之际，若其反应温度在850 C以下时，将会有产生 “戴奥辛 ”（ Dioxin ）剧毒的危险裂解物。故为了工安，环保，与生态环境起见，业界已 有共识

20、，将自2004年起，计划逐渐淘汰（face-out）溴素（是卤素的一种）的使用，总行动 称为Halogen Free。目前日本业者的取代技术已渐趋成熟，而欧洲业界所唱的高调与法令的配合，已在全球业界形成必然之势，使得主要 PCB 生产基地的亚太地区，只好俯首称臣加 紧配合。难燃原理与商品1捕捉燃烧中出现的自由基（Free Radical，指H），阻碍燃烧的进行传统FR-4环氧树脂所加入的溴（Br），会在高温中形成 HBr，亦即对H之可燃性自由基加以捕捉，使燃烧 不易进行。此即为添加卤素（Halogen ）达到难燃的目的。除溴之外尚可添加毒性较少的氯， 或卤素之磷系等均可，但并不比原来溴素高明多

21、少。2添加氢氧化物等助剂，使在燃烧过程中本身进行脱水反应，而得以降温及阻绝氧气与 可燃物之结合，而达难燃之目的不过此等添加物如AI（OH）3会增加板材的 极性”（Polarity ），有损板材的电气性质，只能用于品级较低的 PCB 中。3加入不可燃的氮或硅或磷，以冲淡可燃物减少燃性此种含氮物等又分有机物与无机物两类， 日本已有商品， 整体效果较好。 如日立化成的 多层板材 MCL-RO-67G 即为典型例子。4燃烧中产生覆盖物阻绝与氧气的供应而达难燃，如磷化物于高温中形成聚磷酸之焦膜， 覆盖可燃物， 断绝氧气减少其燃性但此系亦会产有害的红磷附产物， 并不见得比原来的 卤素好到哪去。5大量加入无

22、机填充料（Filler），减少有机可燃物之比率以降低燃性如日立化成所新推出的封装材料MCL-E-679F （G）中，即加入体积比60-80 %小粒状的无机填充料，但却先对其做过特殊的表面处理（ FICS） ，使与树脂主构体之间产生更好的 亲和力，且分散力也更好。Transition Temperature（Tg） 玻璃态转化温度 （不在 IPC-4101/21 中，但最重要 ）聚合物 （即 Ploymer ，亦称高分子材料或树脂等 ）会因温度的升降， 而造成其物性的变化。当其在常温时，通常会呈现一种非结晶无定形态 （Amorphous） 之脆硬玻璃状固体 （此处之玻）；但当在高温时却将转璃，是

23、对组成不定各种物体之广义解释，并非常见狭义之透明玻璃变成为一种如同橡胶状的弹性固体(Elastomer) 。这种由常温 “玻璃态 ”，转变成物性明显不同 的高温 “橡胶态 ”过程中，其狭窄之温变过度区域，特称为 “玻璃态转化温度 ”；可简写成 Tg， 但应读成“Tsof G',以示其转态的温度并非只在某一温度点上。此种状态 “转换 ”的温度带虽非聚合物的熔点，但却可明显看出橡胶态的热胀系数 (CTE) 要高于玻璃态的3或4倍。凡板材的Tg不够高时，在高温的强烈 Z膨胀应力下，可能会造 成PTH孔铜壁的断裂。现行 FR4之平均Tg已可135C，而CEM-1亦有110C，且在板厚 之降低与镀铜品质的改善下，断孔的机率已比早先降低很多了。由众多实务经验可知，Tg较高的板材，其热胀系数(CTE)较低，耐热性(Heat Resistance)良好，硬挺性(Stiffness or Rigidity )