1、铜铜箔基板品质术语之诠释 (一) 1. 前言: 有关铜箔基板(Copper Claded Laminates,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
2、。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“Long time no see 与 no can do“ 早已成了漂
3、亮的英文,说不定那天 “People mountain people sea “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(Specification Sheet)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.Reliative Permitivity(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
4、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 Energy)的多寡而言
5、。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” (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
6、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
7、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 r ”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” (Dipole Moment,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
8、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 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“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
9、Equation 加以说明: Vp(传播速率)C(光速)r(周遭介质之相对容电率) 此式若用在空气之场合时(r1) ,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 r(Dk)代入上式,其速率自然会比在空气中慢了许多,且 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 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
10、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 r 反而要越高越好,而陶瓷之 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 r 及 Df,都指定按 IPC-TM-650 之 2.5.5.3 法去做,即以 Balsbaugh 品牌之 LD3 Dielectric Cell 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
11、,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(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Disspation 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(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
12、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(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
13、(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(” )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” or 虚实, 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
14、文的损失正接,由图可知 正接于 )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(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“Quality Factor”(简称为 Q Factor)的术语,其定义为上述之“实
15、/ 虚” ,恰与 Df 成为反比,即 Q Factor1/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( Shielding) ,并导之于“接地层”的零电
16、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) ,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。3.3 Flammability 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 FR-4、FR-5 等术语即出自 NEMA 之规范。为了大众安全起见,电
17、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。铜箔基板品质术语之诠释 (二) 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 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,
18、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
19、-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(Bisphenol A)与环氧氯丙烷(Epichloro Hydrin)二者所聚合而成,并不具难燃性(Flame 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,
20、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 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 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(Free Radi
21、cal,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 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
22、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.Glass Transition Tempe
23、rature(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“Ts of G”,以示其转态的温度并非只在某一温度点上
24、。 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 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(Dimentional Stability)改善,且吸湿率(Mois
25、ture)亦较低,耐化性(Chemical 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: 3.4.1 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”(Hea
26、t 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,故对 Tg 测定的灵敏度较差。 3.4.2 TMA 系指 Thermal Mechanical Analysis(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。3.4.3 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
27、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,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。铜箔基板品质术语之诠释 (三) 抗撕强度 Peel Strength(次重要) 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。可惜某些铜箔基板业者们不明就里不读正书,竟自做聪明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,虽不至背道而驰却也颇乏神似而殊
28、为遗憾。 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(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(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-4101/21 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 17um 以上之低棱线铜箔(Low Profile),其测值无论厚
29、板(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(试验方法均按 IPC-TM-650 之 2.4.8 节之规定): (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(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
30、 3.08 lb/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-4101 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 1oz 之标准铜箔之 8 lb/in 而言,立论十分松散不足为训。2. Volume Resistivity 体积电阻率(不重要) 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
31、 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 20mil 以上的 FR-4 厚板材,执行本试验前须在 50/10RH 与 25/90RH 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 厚板材,则另要求在 C-96/35/90(ASTM 表示法,即 35,90RH ,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
32、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 个月才测一次(由此可见本项并不重要) 。每次取 6 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)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“(Specific Insulation)值,系指板材在三度空间各边长 1cm 的块状绝缘
33、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。3. 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
34、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。4. Moisture Absorption 吸湿率(又名 Water Absorption)(次重要) 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
35、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 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 231的蒸馏水中 24 小时。取出后立即擦干并立即精秤即可。 4.1 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
36、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 “(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 Maxwell Equation:Vp=C/ r 中可得其详。(Vp:讯号之传播速度、C:光速、r:讯号线周围介质之相对容电率 ) 其次是板材所可能吸到水份,当然不可能是纯水,何况钻孔镀孔以及众多的湿式流程,怎么可能会不吸入离子性漏电的物质?是故有了水后“玻纤丝阳极性漏电”之缺失(CAF;Conductive Anodic Filament)就难免不会发生了。而且吸了水的板材遇到瞬间高温焊接或
37、喷钖时,必然会产生爆板的恶果,这就是对基材板严格要求吸水率够低的三种主要原因。 目前由于树脂配方技术与胶片含浸工程的长足进步,一般商品板材之吸水率都远于规格值的数十倍以下,换句话说吸水率早已不是问题了,除非规格值再严加降低,或改用压力锅试验(PCT;Pressure Cooker Test)更严酷的做法,才会面临挑战。5. Dielectric Breakdown 介质崩溃(次重要) 系刻意不断提高 AC 测试之电压至 50KV 以上,以观察厚板材中相距 1 吋之两插孔电极,其崩溃打穿的起码电压值为何。按 IPC-4101 表 5 的规定,此项品质亦系三个月测一次,每次取三个样片。至于 IPC
38、-4101/21 对 FR-4 原板之及格标准,则另订定下限为 40KV。 其试验法系按 IPC-TM-650 之 2.5.6 B 法(1986.5)去进行。所取无铜箔之样板其大小为 3 吋 X2 吋(厚度在 30.5mil 以上),沿其板长方向的中心线上,钻出相距 1 吋而直径各为 188mil 的穿孔两个,并分别插入两锥状电极(其一为高电压极,其二为接地极 ),然后连以电缆一同浸于绝缘油槽中 (如 Shell Dial Ax 即可)。再按上表以每秒调升 500V 之方式逐渐升高测试电压,仔细观察所发生之崩溃的情形,且记录其三个数据及求平均值。但若并未出现崩溃时,即以其可调之最高电压值为纪录
39、。 6.Flexural Strength 抗挠强度 (又称 Flexural Modulus 抗挠模数)(不重要) 6.1 诠释 聚是指基材板所在承受多少重量之下,而尚不致折断的机械强度。也就是说做成电路板后,可以承载多少组件而不变形的能力。换言之就是在测板材的硬挺性(Stiffness or Rigidity) ,口语上似可说成“抗弯强度”或“抗弯能力” 。板材若在本项之品质良好时,其板弯板翘也就低了。 此“抗挠强度”的试验方法,可按 IPC-TM-650 之 2.4.4 法(1994.12)去做,该法指出本项目是针对厚板而做,而厚板与薄板的分界却是 0.51mm(20mil) ,与现行分
40、法(1997.12)的0.78mm(31mil)又有所不同。按品质管理的精神,当然是“后来居上”取代前者,故知此种基板硬挺性品质是针对 31mil 以上的厚板而言。6.2 做法 实际做法很简单,是将板材自底面以“两杆”支撑,再自顶面的中央以“固定宽度的重头(Crosshead) ”用力向下压。该压试机“之支撑跨距(Span )与下压速度(Speed of Testing)等数据,以及对应试验板在长宽厚等尺度方面的关系,均按下表之规定: 上述试验机之支撑杆上缘与下压重头之下缘(Nose) ,均须呈现圆弧表面,样板外缘亦须保持平整,不可出现缺口撕口等。试验要一直用力压下直到样板断裂为止。所得数据以
41、“磅”或“公斤”为单位,再按样板面积换算成“压力强度”的 PSI 或 Kg/M2,做为允收规格。IPC-4101/21 中即已列入现行的允收规格长方向之下限为 4.23X107 kg/m2,横方向之下限为 3.52X107kg/m2。 7.Flexural Strength at Elevalted Temperature 高温中抗挠强度(次重要) 系为已搭载零件的板子,在高温焊接中仿真其抗挠强度如何的试验。实验可按 IPC-TM-650 之2.4.4.1 规定去做,是将样板放在已有夹具的特定烤箱内,去进行压试。该烤箱须能控温在 3以内,不同板材之温度条件另有表格规定。所有做法与前项常温者类同
42、。 此等板材高温“硬挺性”之品质好坏,对表面贴装(SMT)各种零件之焊点强度甚具影响力。目前各种小型手执电子机器的流行,连薄板也要考虑到本项品质了。不过由于树脂在 Tg 方面的提高,与玻纤布的改善(如 Asahi-Scwebel 专利压扁分散的玻纤布) ,使得本项品质也改善极多。 8. Arc Resistance 耐电弧性(不重要) 是对无铜箔之清洁厚板面上,以高电压低电流(0.1A 以下)的两个钨金属平面之电极测头,在0.25 的跨距下,当开动测试机时即产生空中之电弧,不久即会自动消失于板材中。此时板材即将有电弧之轨迹(Tracksing)出现,于是记录下空中电弧消失前所经历的“秒数” ,
43、即为“耐电弧”的数据。 21 号规格单要求应在 60 秒以上。 9.Thermal Stress 热应力(次重要) 系取 2 inX2 in 各种厚度之板材,有铜箔与无铜箔者分别试验,也就是在 288的锡池表面漂浮10 秒钟。洗净之后在正常视力下(左右眼各为 2.0/2.0)检查板面之外观,或另用 4 倍与 10 倍放大镜观察板面,是否出现炭化(Charing) 、表面污染、树脂损伤、树脂变软、爆板分层、起泡、织纹显露、瑕疵扩大、白点、白斑与坑陷等缺点。至于有铜箔者则只检查是否起泡或分层即可,此项品质与树脂之 Tg 及板材吸水率有关。目视标准可参考 IPC-A-600F 之各种图标。10.Di
44、electric Strength 介质强度 (次重要) 本词又称为 Electric Strength 抗电强度,系量测板材在 Z 方向抵抗高电压的能力。本项品质之衡量,是将已发生打穿(Failure)之直流电压实测数据,除以板厚所得数据之 volt/mil 或 volt/mm 为单位。此项试验只针对薄板(31mil 以下)而做,实验须按 IPC-TM-650 之 2.5.6.2 法(1997.8)去进行。21 号规格单要求,及格标准之下限为 2.90X104 V/mm。 11. Comparative Tracking Index 比较性漏电指数 此 CTI 是针对一般家电用品,或其它高电
45、压(110V,220V )电器品,所用单面基材板之品质项目。因不属于计算机信息或通讯之领域,故 IPC-4101 并未将之纳入,反倒是国际电工委员会(IEC)已收纳于其 IEC-STD-112 之中(电路板信息杂志曾将该份 Publication 112 于 53 期中全文翻译,读者可参考之) 。系仿真完工电路板在使用环境中遭到污染,致使板面线路间距处出现漏电短路,且发热烧焦的情形。是比较各种板材能否耐得恶劣环境的侵犯,能否减少危险机率之试验,也就是在最坏的打算下,看看电路板之板材能否过关的试验。 其做法是在裸基材的板面上,在相距 4mm 之两点,以 60 度的方向在 100g 的力量下刺入板
46、材电极尖端之锥度 30o,刺定后在两点之间不断滴下 0.1%的氯化铵溶液,每 30 秒 1 滴,并通入高电压(100-600V)之交流电( AC)进行试验。可先试用 300V 并使出现 1 安培的电流。因板面上已有氯化铵溶液,故通电中会出现电阻而发热,逐使溶液被蒸发走掉,于是又续滴下溶液直到 50 滴时,看看板材本身会不会漏电。一旦当绝缘板材出现 0.1A 的漏电并超过 0.5 秒以上者,即纪录为故障(Failure ,此时蜂鸣器会发出叫声) ,测试仪器也会自动记录下发生故障时已滴下的总滴数。 板材 CTI 的品质是指 50 滴仍未故障者,其所呈现的外加电压数值。若上述 300V 可顺利过关时,还可再增加电压为 400V,500V,或 600V 等,直到出现故障前之最高电压,即为该板材的 CTI 数据。一般规定 FR-4 及格标准是 200-400V,而 CEM-1 也是 200-400V,但日本业界有时会要求到 800V 之严格标准。 非结晶性高分子之粘弹性分布图。