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(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.IPC-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(εr)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!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（Capacitance）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”（SignalIntegrity）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εr”了。注意ε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℃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εr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）∕√εr（周遭介质之相对容电率）此式若用在空气之场合时（εr＝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εr（Dk）代入上式，其速率自然会比在空气中慢了许多，且εr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εr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εr反而要越高越好，而陶瓷之εr常在100以上正是容器的理想良材。3.1.5测试方法IPC-4101对εr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∕DisspationFactor（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（ε”）比上实值（ε’），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＝ε”∕ε’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ε正接于ε''）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。