-
铜箔基板品质术语之诠释
(
一
< br>)
主编
白蓉生先生
1.
前言：
有关铜箔基板
(Copper Claded Laminat
es
，简称
CCL)
的重要成文国际规
范，早
期以美国军规
MIL-S-13949H(1993)<
/p>
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
与
no
can
do
早已成了漂亮的英文，说不定那天
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
< br>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。
-4101/21
规格总表
PC-4101/21
规格总表
3.
最重要的品质术语诠释
ive
Permitivity(
ε
r)
相对
容电率
或
Dielectric
Constant(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
”
（
Electrostatic Ener
gy
）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
< br>”
（
Permittivity
日文称为诱电率），由字面
上可体会到与电容（
Capacit
ance
）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
1 MHz
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
< br>（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
< br>，在正式规范中均已
改称为更标准说法的
“
相对电容率ε
r
”
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
< br>“
容电
”
效果，主要是源自其材
板材
本身分子中具有极性（
polarity
< br>）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
”
（
Dipole Moment
，例如纯水
25
< br>℃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-410
1
（
1997
）以及
< br>IEC-326
等，均已改称为
Permittivit
y
而不再说成
Dk
了。然
而国内业者知道ε
r
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<
/p>
“
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
Maxwell Equation
加以说明：
Vp<
/p>
（传播速率）＝
C
（光速）
?M
√ε
r
（周遭介质之相
对容电率）
此式若用在空气之场合时（ε
r
＝
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ε
r
（
Dk
）代入上式，其速率自然会比在空气中慢了许多，且ε
r
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
ε
r
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
< br>”
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ε
r
反而要越高越好，而陶瓷之ε
r
常在
100
以上正是容器的理想良材。
3.1.5
测试方法
IPC
-4101
对ε
r
及
< br>Df
，都指定按
IPC-TM-650
< br>之
2.5.5.3
法去做，即以
Balsbaugh
品牌之
LD3 Dielectric C
ell
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（
3.2inX 3.2inX
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
< br>1MHz
的频率下所测，所得数据已远不敷实际需要，对于近年
< br>来工作频率高达
1GHz
甚至在
1GHz
以上之
Dk
者，则需另采<
/p>
“
真空腔
”
方式
（
Vacuum
Cavity
）去测
试才行，但此法在业界尚未流行。
3.2 Loss Tanget
损失正切
?MDisspation Factor
（
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（
Lo
ss
）到
绝缘板材中的能量，对尚存在（
Stored
）线中能量之比值
”
。
<
/p>
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
D
f
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
2.5
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
”<
/p>
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
?M
邻边＝ε
”
?M
ε
’
or
＝虚
?M
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ε
正接于ε
'
）的<
/p>
“
?J
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（
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
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。
3.2.4
Q-Factor
品质因素
又，基材板品质术语中还有一种<
/p>
“
Quality
Factor
”
（简称为
Q Fact
or
）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，其一是往介质板材中
< br>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（
Shieldin
g
），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（
Fence Hole
< br>），
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<
/p>
6.5
相同。
3.3 Flammabilit
y
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-94 and
UL-796 (2)NEMA LI1-1989
。常见之
F
R-4
、
FR-5
等
< br>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-Di
stinguish
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：
< br>“
本公司产品品质均已符合
UL
的规定
”
，是一种
“
< br>铁路警察查户口
”
式的笑
话。<
/p>
铜箔基板品质术语之诠释
(
二
)
主编
白蓉生先生
3.3.2
做法
本项目
的做法，可按
UL-94
或
NEMA
LI1-1989
，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<
/p>
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。
< br>
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<
/p>
”
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（
Bisphenol
A
）与环氧氯丙烷（
Epichloro
Hydrin
）二者所聚合而成，并不具难燃性（
Flam
e Retardent
），无法符合
UL-94
的
规定。但若将
“
丙二酚<
/p>
”
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?
囈陨鲜保
纯赏ü
?UL-94
起码之
V-1<
/p>
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
℃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
Halogen Free
< br>。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
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