銅箔基板品質(zhì)術(shù)語之詮釋

1、銅箔基板品質(zhì)術(shù)語之詮釋1.前言：有關(guān)銅箔基板(Copper Claded Laminates，簡稱CCL)的重要成文國際規(guī)范，早期以美國 軍規(guī) MIL-S-13949H(1993) 馬首是瞻，直至后才被一向視為配角的 IPC-4101 所取代。原因是 業(yè)界進(jìn)步太快，而美軍規(guī)范一向保守謹(jǐn)慎，來不及跟上 HDI 商品化的實質(zhì)進(jìn)步，于是只好 退守軍品的嚴(yán)格領(lǐng)域。至于為數(shù)龐大的商業(yè)電子產(chǎn)品，就另行遵循靈活新穎的IPC商用規(guī)范了。IPC-4101 之硬質(zhì)銅箔基板規(guī)范，其 21 號規(guī)格單為最常見 FR-4 板材之品質(zhì)詳細(xì)規(guī)格， 共列有 13 種品質(zhì)項目。 其中有的較為淺顯者， 幾乎一看就懂無需贅言， 如銅

2、箔之抗撕強(qiáng)度 等。 但有的不但字面費解難以查考， 且經(jīng)常是同一術(shù)語卻有數(shù)種不同說法， 似是而非撲朔迷 離，每每令人困惑而不知所從。然久而久之也就見怪不怪麻木不仁了，只要按方法去檢驗， 或按規(guī)格去允收即可，管那許多原理原因做什么。至于那些項目為何而設(shè)影響下游如何每項是否一定要做也就懶得再去追究，甚至連真正定義原理也多半似懂非懂， 反正人云亦云以訛傳訛。 唬來唬去只要朗朗上口， 就顯得學(xué)問奇 大無比經(jīng)驗爐火純青， 日久積非成是之余， 一旦有人以正確說法稱呼之， 難免不遭白眼視為 異類。鳴呼！君不見 "Long time no see 與 no can do" 早已成了漂亮的英文

3、，說不定那天 "People mountain people sea " 也會大流其行呢。但不管眾口能否鑠金，是非真理總還是要 講個清楚說得明白才不失學(xué)術(shù)良心， 做人做事也才有格， 這應(yīng)與學(xué)歷或官位扯不上關(guān)系。 以 下即按IPC-4101后列規(guī)格單(Specification Sheet)中的順序?qū)Ω餍g(shù)語試加詮釋，尚盼高明指正。21 規(guī)格總表PC-4101/21 規(guī)格總表3.最重要的品質(zhì)術(shù)語詮釋Permitivity(相對寸容電率 或Dielectric Constant(Dk)介質(zhì)常數(shù)(最重要)錯誤說法此詞經(jīng)常被不明原理者，僅就其 “字面 ”似是而非的誤稱為 “介電常數(shù)

4、”有!時連一些不夠 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖值湟渤７稿e。事實上， Dielectric 本身是名詞，即 “絕緣材料 ”或“介電物質(zhì) ”之意；故 知“介質(zhì)常數(shù) ”本身是 “名詞 +名詞”所組成的名詞，是材料的一種常數(shù)。而 Dielectric 此字并非 形容詞的 “介電 ”，用以形容 “常數(shù) ”而得到的 “介電常數(shù) ”，似乎是在說 “介電性質(zhì)的常數(shù) ”。請 問這倒底指的是什么天天掛在嘴上的人有誰曾用心想過人之通病多半是想當(dāng)然耳 !原理說明此詞原指每 “單位體積 ”的絕緣物質(zhì)，在每一單位之 “電位梯度 ”下，所能儲蓄 “靜電能量(Electrostatic Energy)的多寡而言。猛看之下，一時并不容易聽懂。此

5、詞尚另有較新的同義字 “容電率 ”(Permittivity 日文稱為誘電率)， 由字面上可體會到 與電容(Capacitanee)之間的關(guān)系與含義。當(dāng)多層板絕緣板材之容電率"較大時，即表示訊號線中的傳輸能量已有不少被蓄容在板材中，如此將造成 “訊號完整性 ”( Signal Integrity ) 之品質(zhì)不佳，與傳播速率( Propagation Velocity )的減慢。換言之即表示已有部分傳輸能量 被不當(dāng)浪費或容存在介質(zhì)材料中了。是故絕緣材料的 “介質(zhì)常數(shù) ”(或容電率)愈低者，其寸 訊號傳輸?shù)钠焚|(zhì)才會更好。目前各種板材中以鐵氟龍(PTFE)，在1 MHz頻率下所測得介質(zhì)常數(shù)

6、的為最好， FR-4 約為。3.1.3 電容詮釋上述介質(zhì)常數(shù)（ Dk ）若在多層板訊號傳輸?shù)膱龊现校€可以電容的觀點詳加詮釋如下：由上左圖可知 MLB 中，其訊號線層與大地層兩平行金屬板之間，夾有絕緣介質(zhì)（即膠 片之玻纖與環(huán)氧樹脂）時，在訊號傳輸工作中（也有很小的電流通過）將會出現(xiàn)一種電容器 （ Capacitor ）的效應(yīng)，其公式如下：由式中可知其電容量的多寡，與上下重疊之面積 A （即訊號線寬與線長之乘積）及介 質(zhì)常數(shù) Dk 成正比，而與其間的介質(zhì)厚度 d 成反比。從電容計算公式看來，原 “介質(zhì)常數(shù) ”的說法并無不妥。但若用以表達(dá)板材之不良 “極性 時，則不如 “容電率 ”來得更為貼切。因

7、而目前對此Dk ，在正式規(guī)范中均已改稱為更標(biāo)準(zhǔn)說法的相對電容率& r了。注意&是希臘字母Episolon，并非大寫的E,許多半桶水者經(jīng)常寫 錯也念錯。事實上， 絕緣板材之所以會出現(xiàn)這種不良的 “容電 ”效果， 主要是源自其材板材本身分子 中具有極性（ polarity ）所致。由于其極性的存在，于是又產(chǎn)生一種電雙極式的 “偶極矩 ”（D ipole Moment,例如純水25C于Benzene中之?dāng)?shù)值即為），進(jìn)而造成平行金屬板間之介質(zhì)材 料，對靜電電荷產(chǎn)生 “蓄或容 ”的負(fù)面效果， 極性愈大時 Dk 也愈大， 容蓄的靜電電荷也愈多。純水本身的 Dk 常高達(dá) 75,故板材必須盡量

8、避免吸水,才不致升高Dk 而減緩了訊號的傳輸速度,以及對特性阻抗控制等電性品質(zhì)。業(yè)界重要的銅箔基板（CCL ）規(guī)范，如早期的 MIL-S-13949H （1993），現(xiàn)行的IPC-4101（1997）以及 IEC-326 等,均已改稱為 Permittivity 而不再說成 Dk 了。然而國內(nèi)業(yè)者知道&的人并不多，甚至連原來的Dk也多誤稱為 介電常數(shù)”，想必是前輩資深者天天忙碌與辛苦之下，只好不求甚解自欺欺人以訛傳訛，使得后進(jìn)者也糊里胡涂不得不跟著錯下去了。應(yīng)用詮釋上述 “相對容電率 ”（即介質(zhì)常數(shù)）太大時，所造成訊號傳播（輸）速率變慢的效果，可 利用著名的 Maxwell Equat

9、ion 加以說明：Vp （傳播速率）=C （光速）/v（周遭介質(zhì)之相對容電率）此式若用在空氣之場合時（&于1）,此即說明了空氣中的電波速率等于光速。但當(dāng)一 般多層板面上訊號線中傳輸方波訊號"時（可視為電磁波），須將FR-4板材與綠漆的e （ Dk ）代入上式，其速率自然會比在空氣中慢了許多，且e愈高時其速率會愈慢。正如同高速公路上若有大量污泥存在時，其車速之部份能量會被吸收，車速也會隨之變慢。 還可換一種想象來加以說明， 如在彈簧路面上跑步時， 其速度自然不如正常路面來得 快，原因當(dāng)然還是部份能量被浪費在彈跳上了。由此可知板材的e要盡量抑抵的重要性了，且還要在溫度變化中具有穩(wěn)

10、定性，方不致影響 “時脈速率 ”不斷提高下的訊號品質(zhì)。不過若專業(yè)生產(chǎn)電容器時，則材料之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。測試方法IPC-4101對e及Df,都指定按IPC-TM-650之法去做，即以 Balsbaugh品牌之LD3 Di electric Cell去測Air的電容值（C1），及測Dow Corning 200 Fluid油的電容值（C2）,再測 第一樣板（板層）的電容值（C3），之后又測第二樣板的電容值（C4）,即可利用其公式：然后再測液油的導(dǎo)電度 G1，及第一樣板的導(dǎo)電度 G2,并利用其公式計算出Df但上述做法是在 1MHz 的頻率下所測，所得數(shù)據(jù)

11、已遠(yuǎn)不敷實際需要，對于近年來工作 頻率高達(dá) 1GHz 甚至在 1GHz 以上之 Dk 者，則需另采 “真空腔 ”方式（ Vacuum Cavity ）去 測試才行，但此法在業(yè)界尚未流行。Loss Tanget損失正切/ DisspationFactor （ Df ）散失因素（最重要）原理說明此詞在信息業(yè)與通信業(yè)最簡單直接了當(dāng)?shù)亩x是訊號線中已漏失（Loss）到絕緣板材中的能量，對尚存在（Stored ）線中能量之比值”。但本詞在電學(xué)中原本卻是對交流電在功能損失上的一種度量，系絕緣材料的一種固有的性質(zhì)。即 散失因素”與電功損失成正比，與周期頻率（f）、電位梯度的平方（E2）,及單 位體積成反比，

12、其數(shù)學(xué)關(guān)系為當(dāng)此詞Df用于訊號之高速傳輸（指數(shù)位邏輯領(lǐng)域）與高頻傳播（指RF射頻領(lǐng)域）等信息與通訊業(yè)中，尚另有三個常見的同義字，如損失因素（Loss Factor）、介質(zhì)損失（Dielectric Loss），以及 損失正切Loss Tangent （日文稱為損失正接）等三種不同說法的出現(xiàn)， 甚至 IC 業(yè)者更簡稱為 Loss 而已，其實內(nèi)涵并無不同。世界上并無完全絕緣的材料存在， 再強(qiáng)的絕緣介質(zhì)只要在不斷提高測試電壓下， 終究會 出現(xiàn)打穿崩潰的結(jié)局。即使在很低的工作電壓下（如目前CPU的V），訊號線中傳輸?shù)哪芰恳捕嗌贂┩渌街慕橘|(zhì)材料中。 正如同品質(zhì)再好的耐火磚， 也多少會散漏出一些熱

13、 量出來。三角函數(shù)詮釋訊號線于工作中已漏掉或已損失掉的能量， 就傳輸本身而言可稱之 “虛值”，而剩下仍可 用以工作者則可稱之為實值”。所謂的Df,就是將虛值（£）'比上實值（門，如此所得的比值正是“散失因素”的簡單原始定義?，F(xiàn)再以虛實坐標(biāo)的復(fù)數(shù)觀念說明， 并以圖標(biāo)表達(dá)如下：由上圖三角函數(shù)的關(guān)系可知：Tand =對邊 鄰邊=&”/ or'=虛 實，這 Loss Tangent 豈不正是 Df 的原始定義的另一種分身面貌嗎故知 Tand 損失正切(或 日文的損失正接，由圖可知&正接于e)'的 跩文"說法(Buzzword)完全是故弄玄虛賣

14、弄學(xué)問 ?；Ｍ庑卸眩f穿了就不值一哂。應(yīng)用詮釋對高頻(High Frequency)訊號欲從板面往空中飛出而言，板材Df要愈低愈好，例如800MHz時最好不要超過。否則將對射頻(RF)的通訊(信)產(chǎn)品具有不良影響。且頻率愈高時，板材的 Df 要愈小才行。正如同飛機(jī)要起飛時，其滑行的跑道一定要非常堅硬，才不 致造成能量的無法發(fā)揮。Q-Factor 品質(zhì)因素又，基材板品質(zhì)術(shù)語中還有一種"Quality Factor”簡稱為Q Factor)的術(shù)語，其定義為上述之 實/虛”，恰與Df成為反比，即 Q Factor = 1/Df。高頻訊號傳輸之能量， 工作中常會發(fā)生各種不當(dāng)?shù)膿p失， 其一是

15、往介質(zhì)板材中漏失， 稱 為Dielectric Loss。其二是在導(dǎo)體中發(fā)熱的損失，稱為Conductor Loss。其三是形成電磁波往空氣中損失稱為Radiation Loss。前者可改用 Df較低的板材制作高頻電路板，以減少損失。至于導(dǎo)體之損失，則可另以壓延銅箔或低棱線線銅箔，取代明顯柱狀結(jié)晶的粗糙E. D.Foil (Grade 1)，以因應(yīng)不可避免的集膚效應(yīng)(Skin Effect)。而輻射損失則需另加遮蔽(S hielding ) ，并導(dǎo)之于“接地層”的零電位中，以消除可能的后患。一般行動電話手機(jī)板上， 做為區(qū)隔用途的圍墻（Fence）根基（即鍍化鎳金之寬條），其眾多接地用的圍墻孔（

16、Fenee H ole），即可將組裝后金鐘罩所攔下的電磁波，消彌之于接地中，而不致于傷害到使用者的 腦袋。測試方法與前相同。Flammability 燃性 （最重要 ）說明本詞實際上是指板材樹脂的難燃性”（Inflammability ）而言，重要規(guī)范與規(guī)格之來源有二，即 （1）UL-94 and UL-796 （2）NEMA LI1-1989 。常見之 FR-4、FR-5 等術(shù)語即出自 NEM A之規(guī)范。為了大眾安全起見，電子產(chǎn)品的用料均須達(dá)到難燃”或 抗燃”的效果（即指火源消失后須具自熄 Self-Distinguish 的性質(zhì)） ，以減少火災(zāi)發(fā)生時的危險性， 是產(chǎn)品品質(zhì)以外 的安全規(guī)定。

17、許多不內(nèi)行的業(yè)者所常用的廣告詞竟出現(xiàn)： “本公司產(chǎn)品品質(zhì)均已符合 UL 的 規(guī)定”，是一種“鐵路警察查戶口”式的笑話。做法本項目的做法，可按 UL-94 或 NEMA LI1-1989 ，不過 IPC-TM-650 之法卻是引用前者。 其無銅試樣之尺寸為： 5 寸 X5 寸（厚度視產(chǎn)品而不同），每次做 5 樣，每樣試燒兩次。試 燒用之本生燈高 4 寸，管口直徑寸，所用瓦斯可采天然氣，丁烷，丙烷等均可，但每ft3須具有1000BTU的熱量。若出現(xiàn)爭議時，則工業(yè)級的甲烷氣（ Methane）可作為標(biāo)準(zhǔn)燃料。點燃火焰時， 其垂直焰高應(yīng)為寸之藍(lán)焰， 可分別調(diào)整燃料氣與空氣的進(jìn)量， 直到焰尖為 黃色而焰

18、體為藍(lán)色即可。 試樣應(yīng)垂直固定在支架上， 夾點須在寸的邊寬以內(nèi)， 下緣距焰尖之 落差為寸。試燒時將火焰置于之試樣下約10± 秒后，即移出火源，立即用碼表記下火焰之延燒秒數(shù)。直到火焰停止后又立即送回火苗至試樣下方，再做第二次試燒。如此每樣燒兩次，五樣 共燒 10 次，根據(jù) NEMA 之規(guī)定， 10 次延燒總秒數(shù)低于 50 秒者稱為 V-0 級，低于 250 秒者 稱為 V-1 級，凡符合 V-1 級難燃性的環(huán)氧樹脂，即可稱為 FR-4 級樹脂。但 IPC-4101/21 中的報告方式，卻是采 “平均燃秒 ”上限不可超過 5 秒，與 “單獨燃秒 ”上 限不可超過 10 秒，作為計錄。溴化

19、物抗燃說明一般性環(huán)氧樹脂，是由丙二酚（ Bisphenol A ）與環(huán)氧氯丙烷（ Epichloro Hydrin ）二者 所聚合而成，并不具難燃性（Flame Retardent），無法符合UL-94的規(guī)定。但若將 丙二酚” 先行溴化反應(yīng)，而改質(zhì)成為 “四溴丙二酚 ”，再混入液態(tài)環(huán)氧樹脂（ A-stage） ，使其溴含量之 重量比達(dá)20%以上時，即可通過UL-94起碼之 V-1規(guī)定，而成為難燃性的FR-4 了。電子產(chǎn)品一旦發(fā)生火災(zāi)或燃燒處理廢板材之際，若其反應(yīng)溫度在850 C以下時，將會有產(chǎn)生 “戴奧辛 ”（ Dioxin ）劇毒的危險裂解物。故為了工安，環(huán)保，與生態(tài)環(huán)境起見，業(yè)界已 有共識

20、，將自2004年起，計劃逐漸淘汰（face-out）溴素（是鹵素的一種）的使用，總行動 稱為Halogen Free。目前日本業(yè)者的取代技術(shù)已漸趨成熟，而歐洲業(yè)界所唱的高調(diào)與法令的配合，已在全球業(yè)界形成必然之勢，使得主要 PCB 生產(chǎn)基地的亞太地區(qū)，只好俯首稱臣加 緊配合。難燃原理與商品1捕捉燃燒中出現(xiàn)的自由基（Free Radical，指H），阻礙燃燒的進(jìn)行傳統(tǒng)FR-4環(huán)氧樹脂所加入的溴（Br），會在高溫中形成 HBr，亦即對H之可燃性自由基加以捕捉，使燃燒 不易進(jìn)行。此即為添加鹵素（Halogen ）達(dá)到難燃的目的。除溴之外尚可添加毒性較少的氯， 或鹵素之磷系等均可，但并不比原來溴素高明多

21、少。2添加氫氧化物等助劑，使在燃燒過程中本身進(jìn)行脫水反應(yīng)，而得以降溫及阻絕氧氣與 可燃物之結(jié)合，而達(dá)難燃之目的不過此等添加物如AI（OH）3會增加板材的 極性”（Polarity ），有損板材的電氣性質(zhì)，只能用于品級較低的 PCB 中。3加入不可燃的氮或硅或磷，以沖淡可燃物減少燃性此種含氮物等又分有機(jī)物與無機(jī)物兩類， 日本已有商品， 整體效果較好。 如日立化成的 多層板材 MCL-RO-67G 即為典型例子。4燃燒中產(chǎn)生覆蓋物阻絕與氧氣的供應(yīng)而達(dá)難燃，如磷化物于高溫中形成聚磷酸之焦膜， 覆蓋可燃物， 斷絕氧氣減少其燃性但此系亦會產(chǎn)有害的紅磷附產(chǎn)物， 并不見得比原來的 鹵素好到哪去。5大量加入無

22、機(jī)填充料（Filler），減少有機(jī)可燃物之比率以降低燃性如日立化成所新推出的封裝材料MCL-E-679F （G）中，即加入體積比60-80 %小粒狀的無機(jī)填充料，但卻先對其做過特殊的表面處理（ FICS） ，使與樹脂主構(gòu)體之間產(chǎn)生更好的 親和力，且分散力也更好。Transition Temperature（Tg） 玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度 （不在 IPC-4101/21 中，但最重要 ）聚合物 （即 Ploymer ，亦稱高分子材料或樹脂等 ）會因溫度的升降， 而造成其物性的變化。當(dāng)其在常溫時，通常會呈現(xiàn)一種非結(jié)晶無定形態(tài) （Amorphous） 之脆硬玻璃狀固體 （此處之玻）；但當(dāng)在高溫時卻將轉(zhuǎn)璃，是

23、對組成不定各種物體之廣義解釋，并非常見狹義之透明玻璃變成為一種如同橡膠狀的彈性固體(Elastomer) 。這種由常溫 “玻璃態(tài) ”，轉(zhuǎn)變成物性明顯不同 的高溫 “橡膠態(tài) ”過程中，其狹窄之溫變過度區(qū)域，特稱為 “玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度 ”；可簡寫成 Tg， 但應(yīng)讀成“Tsof G',以示其轉(zhuǎn)態(tài)的溫度并非只在某一溫度點上。此種狀態(tài) “轉(zhuǎn)換 ”的溫度帶雖非聚合物的熔點，但卻可明顯看出橡膠態(tài)的熱脹系數(shù) (CTE) 要高于玻璃態(tài)的3或4倍。凡板材的Tg不夠高時，在高溫的強(qiáng)烈 Z膨脹應(yīng)力下，可能會造 成PTH孔銅壁的斷裂?，F(xiàn)行 FR4之平均Tg已可135C，而CEM-1亦有110C，且在板厚 之降低與鍍銅品質(zhì)的改善下，斷孔的機(jī)率已比早先降低很多了。由眾多實務(wù)經(jīng)驗可知，Tg較高的板材，其熱脹系數(shù)(CTE)較低，耐熱性(Heat Resistance)良好，硬挺性(Stiffness or Rigidity )