铜箔基板品质术语之诠释.docx

铜箔基板品质术语之诠释.docx

《铜箔基板品质术语之诠释.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铜箔基板品质术语之诠释.docx（7页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

铜箔基板品质术语之诠释

铜箔基板品质术语之诠释

1.前言：

有关铜箔基板（CopperCladedLaminates,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1998.11.15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（1993.12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"Longtimenosee与nocando"早已成了漂亮的英文，说不定那天"Peoplemountainpeoplesea"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（SpecificationSheet）中的顺序对各术语试加诠释，尚盼高明指正。

2.1PC-4101/21规格总表

PC-4101/21规格总表

3.最重要的品质术语诠释

3.1.ReliativePermitivity（相对容电率或DielectricConstant（Dk）介质常数（最重要）

3.1.1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”？

!

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Dielect

ric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!

3.1.2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"（ElectrostaticEnergy）的多寡而言。

猛看之下，一时并不容易听懂。

此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（PropagationVelocity）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，其对讯号传输的品质才会更好。

目前各种板材中以铁氟龙（PTFE），在1MHz频率下所测得介质常数的2.5为最好，FR-4约为4.7。

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汀了。

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”（DipoleMoment，例如纯水25°C于Benzene中之数值即为1.36），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。

3.1.4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，可利用著名的MaxwellEquation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Dk）代入上式，其速率自然会比在空气中慢了许多，且&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&要尽量抑抵的

重要性了，且还要在温度变化中具有稳定性，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&反而要越高越好，而陶瓷之&常在100以上正是容器的理想良材。

3.1.5测试方法

IPC-4101对&及Df，都指定按IPC-TM-650之2.5.5.3法去做，即以Balsbaugh品牌之LD3DielectricCell去测Air的电容值（C1），及测DowCorning200Fluid油的电容值（C2），再测第一样板（3.2inX3.2inX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（VacuumCavity）去测试才行,但此法在业界尚未流行。

3.2LossTanget损失正切/DisspatioFactor（Df）散失因素（最重要）

3.2.1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，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（LossFactor）、介质损失

（DielectricLoss），以及损失正切LossTangent（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2.5V），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量出来。

3.2.2三角函数诠释

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（8）比上实值（£）',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=8”/or'=虚实，

这LossTangent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8正接于8）的跩文”说法（Buzzword）完全是故弄玄虚

卖弄学问唬唬外行而已,说穿了就不值一哂。

3.2.3应用诠释

对高频（HighFrequency）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0.01。

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。

3.2.4Q-Factor品质因素

又，基材板品质术语中还有一种“QualityFactor”简称为QFactor）的术语，其定

义为上述之实/虚”恰与Df成为反比，即QFactor^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，其一是往介质板材中漏失，

称为DielectricLoss。

其二是在导体中发热的损失，称为ConductorLoss。

其三是形成电磁波往空气中损失称为RadiationLoss。

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（Grade1）,以因应不可避免的集肤效应（SkinEffect）。

而辐射损失则需另加遮蔽（Shielding）,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（FenceHole），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。

3.2.5测试方法

与前6.5相同。

3.3Flammability燃性（最重要）

3.3.1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-94andUL-796

（2）NEMALI1-1989。

常见之FR-4、FR-5等术语即出自NEMA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。

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。

3.3.2做法

本项目的做法，可按UL-94或NEMALI1-1989，不过IPC-TM-650之2.3.10法却是引用前者。

其无铜试样之尺寸为：

5吋X5吋（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吋，管口直径0.37吋，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0.75吋之蓝焰，可分别调整燃料气与空气的进量，直到焰尖为黄色而焰体为蓝色即可。

试样应垂直固定在支架上，夹点须在0.25吋的边宽以内，下缘距焰尖之落差为0.375吋。

试烧时将火焰置于之试样下约10±0.5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。

3.3.3溴化物抗燃说明

一般性环氧树脂，是由丙二酚（BisphenolA）与环氧氯丙烷（EpichloroHydrin）二者所聚合而成，并不具难燃性（FlameRetardent），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850C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，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HalogenFree。

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。

3.3.4难燃原理与商品

1•捕捉燃烧中出现的自由基（FreeRadical，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（0H）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-R0-67G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。

3.4.GlassTransitionTemperature（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（此处之玻璃，是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）；但当在高温

时却将转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“TsofG'，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（HeatResistance）良好，硬挺性（StiffnessorRigidity）亦佳，板材之尺度安定性（DimentionalStability）改善，且吸湿率（Moisture）亦较低，耐化性（ChemicalResistanee含耐溶剂性）提升，各种电性性能亦较好，且不易出现白点白斑（measlingandcrazing）等缺点。

故一般业

者常要求板材在成本范围内，须尽量提高其Tg,以减少制程的变异与板材品质的不稳。

但由于Tg的测定的方法很多，而且所得数据之差异也颇大。

须注意其实验之升温速率，应控制在5至10C之间，不可太急。

常用之测试法有DSC、TMA及DMA等三种，现说明如下：

3.4.1DSC系指DifferentialScanningCalorimetry（示差扫瞄卡计），是在量测升温中

板材之热容量”（Heateapacity）变化（即Heatflow变化）。

系在其变化最大的斜率处，以切线方式找出居中值即可。

本法由于板材升温中，其热容量变化并不大，故对Tg测定的灵

敏度较差。

3.4.2TMA系指ThermalMechanicalAnalysis（热机械分析法），是量测升温中板材热胀系数”（CTE的变化。

通常样板厚度在50mil以上者，本法测试之准确度要比DSC法更好。

3.4.3DMA系指DynamicMechanicalAnalysis（动态热机械分析法），是检测升温中

聚合物在粘弹性变化”方面的数据，或量测升温中板材在模数（Modulus）与硬挺性（Stiffness）方面的变化。

其灵敏度最好，是三种方法中测值较高的一种（如同样品之TMA测值为145C,DSC约为150C，而DMA则约为165C）。

到底哪一种最准确，则人云皆非

真相不易得知。

不过本法对板材中有好几种不同树脂之混合者，亦能一一将之测出，但使用者之技术也较高。