-
PCB
覆铜板主要性能介绍及应用趋势
1.
ivReliate
Permit
ivity(
ε
r)
相对容电率或
Dielectric
Constant(Dk)
介质常数
:
Dielectric
本身是名词
,
即“绝缘材料”或“介电物质”之意
;
故知“介质常數”本身
是
“名詞
+
名詞”所組成的名詞
,
是材料的一種常詞
+
名詞
”
所組成的名詞
,
是材料的一種常數
.
原理說明
:
此詞原指每
單位體積
”
的絕緣物質，在每一單位之
“
電位梯度
”
下，所能儲蓄
“
靜
電能量
”
（
Elect
rostatic Energy
）的多寡而言。此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（
Capacitance
）之間的關係<
/p>
與含義。
當多層板絕緣板材之
“
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浪費或容存在
介質材料中了。是故絕緣材料的
“
介質常數
”
（或容電率）愈
低者，其對訊號傳輸的品質才會
更好。目前各種板材中以鐵氟龍（
PTFE
）
，在
1 MHz
頻率下所測得介質常數的
2.5
為最好，
FR-4
約為
4.7
。
上述介質常數（
Dk
）若在多層板訊號傳輸的場合中
,
其訊號線層與大
地層兩平行金屬
板之間，夾有絕緣介質（即膠片之玻纖與環氧樹脂）時，在訊號傳輸工作
中（也有很小的電
流通過）將會出現一種電容器（
Capaci
tor
）的效應
.
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）及介質常數<
/p>
Dk
成正比，而與其間的介質厚度
d
成反比。
從電容計算公式看來，
原
“
介質常數
”
的說法並無不妥。
但若用以表達板材之不良
“
極性
”
時，則不如
“
容電率
”
來得更為貼切。因而目
前對此
Dk
，在正式規範中均已改稱為更標準說
法的
“
相對電容率
ε
r
”
了。注意
ε
是希臘字母
Episolon
，並非大寫的<
/p>
E.
事實上，絕緣板材之所以會出現這種不良的
“
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。由於其極性的存在，於是又產生一種電雙極式的
“
偶極矩
”
（
Dipole Mom
ent
，例如純水
25
℃於
Benzene
中之數值即為
1.36
）
，進而造成平行金屬板間
之介質材料，對靜電電
荷產生
“
蓄或容
”
的負面效果，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
75
，故板材必須儘量避免吸水，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。<
/p>
應用詮釋
:
上述
“
相對容電率
”
（即介質常數）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
Equation
加以說明：
Vp<
/p>
（傳播速率）＝
C
（光速）
∕√ε
r
（周遭介質之相對容電率）
.
此式若用在空氣之場合時（
ε
r
＝
1
）
，
此即說明了空氣中的電波速率等於光速。但當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<
/p>
ε
r
（
Dk
）代入上式，其速率自然會比在空
氣中慢了許多，且
ε
r
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。
還可換一種想像來加以說明，
如在彈簧路面上
< br>跑步時，
其速度自然不如正常路面來得快，
原因當然還是
部份能量被浪費在彈跳上了。
由此
可知板材的
< br>ε
r
要儘量抑抵的重要性了，
且
還要在溫度變化中具有穩定性，
方不致影響
“
< br>時脈
速率
”
不斷提高下的訊號品
質
不過若專業生產電容器時，
則材料
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。
Loss
Tanget
損失正切
∕
Disspation
Factor
（
Df
）散失因素
原理說明
:
此詞在資訊業與通信業最簡單直接了當的定義是
“
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
”
。
訊號線於工作中已漏掉或已
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
< br>“
實值
”
。所謂
的
Df
，就是將虛值（
ε”<
/p>
）比上實值（
ε’
）
，如此所得的比值正是
“
散失因素
”
的簡單原始定義。
當此詞
Df
用於訊號之高速傳輸（指數位邏輯領域）
與
高頻傳播
（指
RF
射頻領域）等資訊與
通訊業中，尚另有三個常見的同義字，如損失因素（
Loss
Factor
）
、介質損失（
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，甚至
IC
業者更簡
稱為
Loss
而已，其實內涵並無不同。
世界上並無完全絕緣的材料存在，
再強的絕緣介質只要在不斷提高測試電壓下，
終究會出
現打
穿崩潰的結局。
即使在很低的工作電壓下，
訊號線中傳輸的能量
也多少會漏往其所附著
的介質材料中。正如同品質再好的耐火磚，也多少會散漏出一些熱
量出來。
應用詮釋
:
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<
/p>
0.01
。否則將對射頻（
RF
）的通訊（信）產品具有不良影響。
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揮。高頻訊號傳輸之能量，工作中常會發生各種不當的損失，
其一是往介質板材中漏失，稱為
Dielectric
Loss
。其二是在導體中發熱的損失，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
較低的板材製作高頻電路板，
以減少損失。
至於導體之損失，
則可另以壓延銅箔或低稜線線
銅箔，
取代明顯柱狀結晶的粗糙
E. D. Foil (Grade 1)
< br>，以因應不可避免的集膚效應
（
Skin
Effect
）
。而輻射
損失則需另加遮蔽（
Shielding
）
，並導之於
“
接地層
”
的零電位中，
以消除可能的後患。
一般行動電話手
機板上，
做為區隔用途的圍牆
（
Fen
ce
）
根基
(
即鍍化鎳
金之寬條
)
，其眾多接地用的
圍牆孔（
Fence
Hole
）
，即可將組裝後金鐘罩所攔下的電磁波，
消彌之於接地中，而不致於傷害到使用者的腦袋。
Flammability
燃性
本詞實際上是指板材樹脂的
“<
/p>
難燃性
”
（
In
flammability
）而言，重要規範與規格之來源
有二
，即
(1)UL-94
and
UL-796
(2)NEMA <
/p>
LI1-1989
。常見之
FR-4
、
FR-5
等術語即出自
< br>NEMA
之規範。為了大眾安全起見，電子產品的用料均須達到
< br>“
難燃
”
或
“
抗燃
”
的效果（即指火源
消失後須具自熄
Self-Disting
uish
的性質）
，
以減少火災發生時
的危險性，
是產品品質以外
的安全規定。
許多不內行的業者所常用的廣告詞竟出現：
“
本公司產品品質
均已符合
UL
的規
定
< br>”
，是一種笑話。
实验方法
:
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
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
（
Me
thane
）
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
< br>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
< br>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<
/p>
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”
< br>上限不可超过
10
秒，作为计录。
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”
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。
< br>
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
。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
PC
B
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（
B
r
）
，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
Al(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
< br>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
6
0-80
﹪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。
Glass Transition
Temperature(Tg)
玻璃态转化温度
(
不在
IPC-4101/21
中，但最重要
)
聚合物
(<
/p>
即
Ploymer
，
< br>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“
Ts of
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<
/p>
FR4
之平均
Tg
已可
135
℃，而
CEM-1
亦有
110
℃，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
）亦佳，板材之尺度安定性（
Dime
ntional Stability
）改善，
且吸湿率
(Moisture)
亦较低，耐化性
(Ch
emical Resistance
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（
measling and crazing
）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
10
℃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：
1
DSC
系指
Differential
Scanning
Calorimetry
(
示差扫瞄卡计
)
，是在量测
升温中板材之
“热容量”
(Heat
capacity)
变化
(
即
Heat
flow
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，
< br>故对
Tg
测定的灵敏度较差。
2
TMA
系指
Thermal
Mechanical
Analysis(
< br>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
DS
C
法更好。
3
DMA
系指
Dynamic Mechanical
Analysis (
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
145
℃，
DSC
约为
150<
/p>
℃，而
DMA
则约为
165
℃）
。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。
抗撕强度
Peel Strength
这是
CNS
的正确译词，而且早已行之有年。其典雅贴切足证
前辈功力之高。可某些铜
箔基板业者，按日文字面直接说成
剥离强度
，不但
信雅达欠周，且欲待呈现之原义也尽
失
.
此词是指铜箔对基材板的附着力或固着力而言，常以每吋宽度
铜箔垂直撕起所需的力
量做为表达单位。这当然不仅量测原板材的到货
< br>(As Received)
情形，也还要仿真电路板制程
的高温环境，热应力，湿制程化学槽液等的各种折磨，以及耐溶剂的考验，
然后检视其
铜箔
附着力是否发生劣化。之所以如此，实乃因线路愈来愈细密时，其附着力的稳定性<
/p>
(Consistency)
将益形重要，而并非原板材铜箔附着
力平均值很高就算完事。
PC-4
101/21
就
FR-4
板材之此号规
格单中，对该类基板之抗撕强度已划分成三项试验及
允收规格，即：
A.
厚度
< br>17um
以上之低棱线铜箔
(Low
< br>Profile)
，其测值无论厚板
(
< br>指
0.78mm
或
31
mil
以上
)
或薄板
(
指
0.78mm
或
31 mil
以下
)
均需超过
70
㎏
/m(
或
3.938
磅
/
吋
)
之规格。
B.
标准棱线抓地力较强之铜箔（即
IPC-CF-150
之
Grade
1
）又有三种情况
(
试验方法均<
/p>
按
IPC-TM-650
之
2.4.8
节之规定
)
：<
/p>
(B-1)
：热应力试验后
(288
℃漂锡
10
秒钟
)
；薄板者须超过
80
㎏
/m(
或
4.47
磅
/
吋
)
，厚板
者须超过
105
㎏
/m(<
/p>
或
5.87
磅
/
吋
)
。
(B-2)
：于
125
℃高温中；薄板与厚板均须超过
70
㎏
/m(
约
4
lb/in)
。
(B-3)
：经湿制程考验后；薄板须超过
55
㎏
/m(
或
3.08
l
b/in)
厚板须超过
80
㎏
/m(
或
4.47
lb/in)
。
C.
其它铜箔者，其抗撕强度之允收规格则须供需双方之同意。
D.
试验频度：按
IPC-41
01
表
5
之规定，上述
B-1
项品质出货时须逐批试验，
B-2
项则
三个月验一次，而
B-3
项也是三个月验一次。一般业者经常对抗撕强度
随便说说的
8
磅
，
系指早期美军规范
(MIL-P-13949)
旧“规格单
4D
”中，对厚度
1o
z
之标准铜箔之
8
lb/in
而
言，立论十分松散不足为训。
V
olume Resistivity
体积电阻率
]
系在量测板材本身的绝
缘品质如何，是以“电阻值”为其量化标准。例如在各种
DC
高
电压下，
测试两通孔间板材的电阻值，
即为绝缘品质的一种量测
法。
由于板材试验前的情
况各异，试验中周遭环境也不同，故对
本术语与下述之
“表面电阻率”
在数据都会造成很
大的变化
例如军
规
MIL-P-13949
要求
20m
il
以上的
FR-4
厚板材，
执行本试验前须在
50
℃
/10
﹪
RH
与
25
℃<
/p>
/90
﹪
RH
两种环境之间，
先进行往返
10
次的变
换，
然后才在第
10
次
25
℃
/90
﹪
RH
之后进行本试验。
至于原在
20mil
以上的
FR-4<
/p>
厚板材，
则另要求在
C-96/35/9
0(ASTM
表示法，即
35
℃，
90
﹪
RH
，放置
96
小时
)
之
环境中先行适况处理，且另外还要求在
125
℃
的高温中，量测
FR-4
的电阻率读值。
IPC-4101
在其表
5
中对此项基板品质项目，
要求
12<
/p>
个月才测一次
(
由此可见本项并不重
要
)
。每次取
6<
/p>
个样片，须按
IPC-TM-650
手册
之
2.5.17.1
测试法进行实做，而及格标准则另
按各单独板材之特定规格单。
至于最常见
FR-
4
之厚板
(
指
0.78mm
或
30.4mil
以上<
/p>
)
经吸湿后，
其读值仍须在
106Megohm-
cm
以上，高温中试验之及格标准亦应在
103Megohm-
cm
以上。
其实此种
体
积电阻率
也就是所谓的
比绝缘
Insulation)
值，系指板材在三度
空间各边长
1cm
的块状绝缘体上，分别自其两对面所测得电阻值大小之谓也。因目前基材
板的技术已非
常进步，此种基本绝缘品质想要不及格还不太容易呢，似无必要详加追究。
Surface Resistivity
表面电阻率
(
不重要
)
系量测
单一板面上，
相邻
10mil
两导体间
之表面电阻率。
不过当板材的事先适况处理与
试验环境不同时，
其之测值亦有很大的变化。本试验前各种板材所应执行的
10
次
适况前处
理，则与前项体积电阻率之做法相同，而
125
℃的高温中试验也按前项实施。
IPC-4101
亦将此项目收纳在
其表
5
中，测试方法与
12
个月测试之频度，也与前项完全
相同。
早年树脂的
生产技术自然不如目前远甚，
时常担心树脂或玻纤布中夹杂有离子性的残
渣，
一旦如此将造成板材绝缘品质的劣化，
是故早年的
老旧规范中，
都加设了上述两项绝缘
品质之
电阻率
规格。
然而基材板中若要
12
个月才测一次的品质项目，
又能对每天大量出货的
PCB
工业有何
帮助？有什么把关的必要？真是天晓得
!
想必此等
可有可无不关痛痒的陋规，
将来迟早会被
取消而成为历史。
Moisture Absorption
吸湿率
(
又名
Water
Absorption)
此项品质系订定于
IPC-4101
之表
5
，
须每
三个月取
4
个样板去做试验。
又按
IPC-4101/21
对
FR-4
基板的规定，
厚度低于
0.78mm(30.
5mil)
的薄板要求吸湿率不可超过
0.80
﹪；
30.5mil
以上的厚板则须低于
0.35
﹪。
至于测试方法，则应按
IPC-TM-650
< br>手册之
2.6.2.1
方法去进行。其做法是裁取
2
吋
X2
吋的
样板，板边四面都要用
400
号砂纸小心磨平
，再将两面铜箔蚀刻掉，洗净后放置在
105
℃
-110
℃烤箱中烘烤
1
小时
，取出后于干燥皿中冷到室温，再精称其重量到
0.1mg
。之
后的吸
水实验也很简单，即将样板浸在
23
℃±
1
℃的蒸馏水中
24
小时。取出后立即擦干并立即精
秤即可。
原理诠释：
理论上纯水是不导电的，
若板材吸水后应不致造成绝缘品质的劣化，
或出现漏电的缺
失。当然若所吸到的是不纯的水，自然会影响到板材的绝缘品质。
但
读者们却不可忘记，水
分子是一种
极性
颇强的化合物，其
相对容电率
ε
r.
即老式说法的介质常数
Dk)
高达
75
，
故板材吸水后所制作的多层板传输线，必然会造成讯
号传播速率
(Vp)
的降低，原理从
M
axwell Equation:Vp=C/
√
ε
r
中可得其详。
(V
p
：讯号之传播速度、
C
：光速、
ε
r
：讯号
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