銅箔基板品質(zhì)術(shù)語之詮釋

1、銅箔基板品質(zhì)術(shù)語之詮釋(一) 主編白蓉生先生1.前言： 有關(guān)銅箔基板(Copper Claded Laminates，簡(jiǎn)稱CCL)的重要成文國際規(guī)范，早期以美國軍規(guī)MIL-S-13949H(1993)馬首是瞻，直至1998.11.15后才被一向視為配角的IPC-4101所取代。原因是業(yè)界進(jìn)步太快，而美軍規(guī)范一向保守謹(jǐn)慎，來不及跟上HDI商品化的實(shí)質(zhì)進(jìn)步，于是只好退守軍品的嚴(yán)格領(lǐng)域。至于為數(shù)龐大的商業(yè)電子產(chǎn)品，就另行遵循靈活新穎的IPC商用規(guī)范了。 IPC-4101(1993.12)之硬質(zhì)銅箔基板規(guī)范，其21號(hào)規(guī)格單為最常見FR-4板材之品質(zhì)詳細(xì)規(guī)格，共列有13種品質(zhì)項(xiàng)目。其中有的較為淺顯者，幾

2、乎一看就懂無需贅言，如銅箔之抗撕強(qiáng)度 等。但有的不但字面費(fèi)解難以查考，且經(jīng)常是同一術(shù)語卻有數(shù)種不同說法，似是而非撲朔迷離，每每令人困惑而不知所從。然久而久之也就見怪不怪麻木不仁了，只要按方法去檢驗(yàn)，或按規(guī)格去允收即可，管那許多原理原因做什么。 至于那些項(xiàng)目為何而設(shè)？影響下游如何？每項(xiàng)是否一定要做？也就懶得再去追究，甚至連真正定義原理也多半似懂非懂，反正人云亦云以訛傳訛。唬來唬去只要朗朗上口，就顯得學(xué)問奇大無比經(jīng)驗(yàn)爐火純青，日久積非成是之余，一旦有人以正確說法稱呼之，難免不遭白眼視為異類。鳴呼！君不見"Long time no see 與 no can do" 早已成了漂亮的

3、英文，說不定那天 "People mountain people sea "也會(huì)大流其行呢。但不管眾口能否鑠金，是非真理總還是要講個(gè)清楚說得明白才不失學(xué)術(shù)良心，做人做事也才有格，這應(yīng)與學(xué)歷或官位扯不上關(guān)系。以下即按IPC-4101后列規(guī)格單(Specification Sheet)中的順序?qū)Ω餍g(shù)語試加詮釋，尚盼高明指正。2.IPC-4101/21規(guī)格總表 PC-4101/21規(guī)格總表 3.最重要的品質(zhì)術(shù)語詮釋 3.1.Reliative Permitivity(r)相對(duì)容電率 或 Dielectric Constant(Dk) 介質(zhì)常數(shù)(最重要) 3.1.1錯(cuò)誤說法 此詞經(jīng)

4、常被不明原理者，僅就其“字面”似是而非的誤稱為“介電常數(shù)”!？有時(shí)連一些不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖值湟渤７稿e(cuò)。事實(shí)上，Dielectric本身是名詞，即“絕緣材料”或“介電物質(zhì)”之意；故知“介質(zhì)常數(shù)”本身是“名詞+名詞”所組成的名詞，是材料的一種常數(shù)。而Dielectric此字并非形容詞的“介電”，用以形容“常數(shù)”而得到的“介電常數(shù)”，似乎是在說“介電性質(zhì)的常數(shù)”。請(qǐng)問這倒底指的是什么？天天掛在嘴上的人有誰曾用心想過？人之通病多半是想當(dāng)然耳! 3.1.2原理說明 此詞原指每“單位體積”的絕緣物質(zhì)，在每一單位之“電位梯度”下，所能儲(chǔ)蓄“靜電能量”（Electrostatic Energy）的多寡而言。猛看之下

5、，一時(shí)并不容易聽懂。 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(huì)到與電容（Capacitance）之間的關(guān)系與含義。當(dāng)多層板絕緣板材之“容電率”較大時(shí)，即表示訊號(hào)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(hào)完整性”（Signal Integrity）之品質(zhì)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(dāng)浪費(fèi)或容存在介質(zhì)材料中了。是故絕緣材料的“介質(zhì)常數(shù)”（或容電率）愈低者，其對(duì)訊號(hào)傳輸?shù)钠焚|(zhì)才會(huì)更好。目前各種板材中以鐵氟龍（PTFE），在1 MHz頻率下所測(cè)得介質(zhì)常數(shù)的2.5為最好，

6、FR-4約為4.7。 3.1.3電容詮釋 上述介質(zhì)常數(shù)（Dk）若在多層板訊號(hào)傳輸?shù)膱?chǎng)合中，還可以電容的觀點(diǎn)詳加詮釋如下： 由上左圖可知MLB中，其訊號(hào)線層與大地層兩平行金屬板之間，夾有絕緣介質(zhì)（即膠片之玻纖與環(huán)氧樹脂）時(shí)，在訊號(hào)傳輸工作中（也有很小的電流通過）將會(huì)出現(xiàn)一種電容器（Capacitor）的效應(yīng)，其公式如下： 由式中可知其電容量的多寡，與上下重疊之面積A（即訊號(hào)線寬與線長(zhǎng)之乘積）及介質(zhì)常數(shù)Dk成正比，而與其間的介質(zhì)厚度d成反比。 從電容計(jì)算公式看來，原“介質(zhì)常數(shù)”的說法并無不妥。但若用以表達(dá)板材之不良“極性”時(shí)，則不如“容電率”來得更為貼切。因而目前對(duì)此Dk，在正式規(guī)范中均已改稱為更

7、標(biāo)準(zhǔn)說法的“相對(duì)電容率r”了。注意是希臘字母Episolon，并非大寫的E，許多半桶水者經(jīng)常寫錯(cuò)也念錯(cuò)。 事實(shí)上，絕緣板材之所以會(huì)出現(xiàn)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。由于其極性的存在，于是又產(chǎn)生一種電雙極式的“偶極矩”（Dipole Moment，例如純水25于Benzene中之?dāng)?shù)值即為1.36），進(jìn)而造成平行金屬板間之介質(zhì)材料，對(duì)靜電電荷產(chǎn)生“蓄或容”的負(fù)面效果，極性愈大時(shí)Dk也愈大，容蓄的靜電電荷也愈多。 純水本身的Dk常高達(dá)75，故板材必須盡量避免吸水，才不致升高Dk而減緩了訊號(hào)的傳輸速度，以及對(duì)特性阻抗控制等電性品質(zhì)。業(yè)界重要的銅箔

8、基板（CCL）規(guī)范，如早期的MIL-S-13949H（1993），現(xiàn)行的IPC-4101（1997）以及IEC-326等，均已改稱為Permittivity而不再說成Dk了。然而國內(nèi)業(yè)者知道r的人并不多，甚至連原來的Dk也多誤稱為“介電常數(shù)”，想必是前輩資深者天天忙碌與辛苦之下，只好不求甚解自欺欺人以訛傳訛，使得后進(jìn)者也糊里胡涂不得不跟著錯(cuò)下去了。 3.1.4應(yīng)用詮釋 上述“相對(duì)容電率”（即介質(zhì)常數(shù)）太大時(shí)，所造成訊號(hào)傳播（輸）速率變慢的效果，可利用著名的Maxwell Equation加以說明： Vp（傳播速率）C（光速）?Mr（周遭介質(zhì)之相對(duì)容電率） 此式若用在空氣之場(chǎng)合時(shí)（r1），此即說

9、明了空氣中的電波速率等于光速。但當(dāng)一般多層板面上訊號(hào)線中傳輸“方波訊號(hào)”時(shí)（可視為電磁波），須將FR-4板材與綠漆的r（Dk）代入上式，其速率自然會(huì)比在空氣中慢了許多，且r愈高時(shí)其速率會(huì)愈慢。 正如同高速公路上若有大量污泥存在時(shí)，其車速之部份能量會(huì)被吸收，車速也會(huì)隨之變慢。還可換一種想象來加以說明，如在彈簧路面上跑步時(shí)，其速度自然不如正常路面來得快，原因當(dāng)然還是部份能量被浪費(fèi)在彈跳上了。由此可知板材的r要盡量抑抵的重要性了，且還要在溫度變化中具有穩(wěn)定性，方不致影響“時(shí)脈速率”不斷提高下的訊號(hào)品質(zhì)。 不過若專業(yè)生產(chǎn)電容器時(shí)，則材料之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。

10、3.1.5測(cè)試方法 IPC-4101對(duì)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去測(cè)Air的電容值（C1），及測(cè)Dow Corning 200 Fluid油的電容值(C2)，再測(cè)第一樣板（3.2inX 3.2inX 板層）的電容值（C3），之后又測(cè)第二樣板的電容值（C4），即可利用其公式： 然后再測(cè)液油的導(dǎo)電度G1，及第一樣板的導(dǎo)電度G2，并利用其公式計(jì)算出Df 但上述做法是在1MHz的頻率下所測(cè)，所得數(shù)據(jù)已遠(yuǎn)不敷實(shí)際需要，對(duì)于近年來工作頻率高達(dá)1GHz 甚至在1GHz以上之Dk者，則需另采“真空腔”方式（V

11、acuum Cavity）去測(cè)試才行，但此法在業(yè)界尚未流行。3.2 Loss Tanget 損失正切?MDisspation Factor（Df）散失因素(最重要) 3.2.1原理說明 此詞在信息業(yè)與通信業(yè)最簡(jiǎn)單直接了當(dāng)?shù)亩x是“訊號(hào)線中已漏失（Loss）到絕緣板材中的能量，對(duì)尚存在（Stored）線中能量之比值”。 但本詞在電學(xué)中原本卻是對(duì)交流電在功能損失上的一種度量，系絕緣材料的一種固有的性質(zhì)。即“散失因素”與電功損失成正比，與周期頻率（f）、電位梯度的平方（E2），及單位體積成反比，其數(shù)學(xué)關(guān)系為 當(dāng)此詞Df用于訊號(hào)之高速傳輸（指數(shù)位邏輯領(lǐng)域）與高頻傳播（指RF射頻領(lǐng)域）等信息與通訊業(yè)中，

12、尚另有三個(gè)常見的同義字，如損失因素（Loss Factor）、介質(zhì)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(xiàn)，甚至IC業(yè)者更簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)oss而已，其實(shí)內(nèi)涵并無不同。 世界上并無完全絕緣的材料存在，再強(qiáng)的絕緣介質(zhì)只要在不斷提高測(cè)試電壓下，終究會(huì)出現(xiàn)打穿崩潰的結(jié)局。即使在很低的工作電壓下（如目前CPU的2.5 V），訊號(hào)線中傳輸?shù)哪芰恳捕嗌贂?huì)漏往其所附著的介質(zhì)材料中。正如同品質(zhì)再好的耐火磚，也多少會(huì)散漏出一些熱量出來。 3.2.2三角函數(shù)詮釋 訊號(hào)線于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

13、工作者則可稱之為“實(shí)值”。所謂的Df，就是將虛值（”）比上實(shí)值（），如此所得的比值正是“散失因素”的簡(jiǎn)單原始定義?，F(xiàn)再以虛實(shí)坐標(biāo)的復(fù)數(shù)觀念說明，并以圖標(biāo)表達(dá)如下： 由上圖三角函數(shù)的關(guān)系可知： Tand對(duì)邊?M鄰邊”?Mor虛?M實(shí)， 這Loss Tangent豈不正是Df的原始定義的另一種分身面貌嗎？故知Tand損失正切（或日文的損失正接，由圖可知 正接于'）的“?J文”說法(Buzzword)完全是故弄玄虛賣弄學(xué)問?；Ｍ庑卸?，說穿了就不值一哂。 3.2.3應(yīng)用詮釋 對(duì)高頻（High Frequency）訊號(hào)欲從板面往空中飛出而言，板材Df要愈低愈好，例如800MHz時(shí)最好不要超過0

14、.01。否則將對(duì)射頻（RF）的通訊（信）產(chǎn)品具有不良影響。且頻率愈高時(shí)，板材的Df要愈小才行。正如同飛機(jī)要起飛時(shí)，其滑行的跑道一定要非常堅(jiān)硬，才不致造成能量的無法發(fā)揮。 3.2.4 Q-Factor品質(zhì)因素 又，基材板品質(zhì)術(shù)語中還有一種“Quality Factor”（簡(jiǎn)稱為Q Factor）的術(shù)語，其定義為上述之“實(shí)/虛”，恰與Df成為反比，即Q Factor1/Df。 高頻訊號(hào)傳輸之能量，工作中常會(huì)發(fā)生各種不當(dāng)?shù)膿p失，其一是往介質(zhì)板材中漏失，稱為Dielectric Loss。其二是在導(dǎo)體中發(fā)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 L

15、oss。前者可改用Df較低的板材制作高頻電路板，以減少損失。至于導(dǎo)體之損失，則可另以壓延銅箔或低棱線線銅箔，取代明顯柱狀結(jié)晶的粗糙E. D. Foil (Grade 1)，以因應(yīng)不可避免的集膚效應(yīng)（Skin Effect）。而輻射損失則需另加遮蔽（Shielding），并導(dǎo)之于“接地層”的零電位中，以消除可能的后患。一般行動(dòng)電話手機(jī)板上，做為區(qū)隔用途的圍墻（Fence）根基(即鍍化鎳金之寬條)，其眾多接地用的圍墻孔（Fence Hole），即可將組裝后金鐘罩所攔下的電磁波，消彌之于接地中，而不致于傷害到使用者的腦袋。 3.2.5測(cè)試方法 與前6.5相同。3.3 Flammability燃性(最

16、重要) 3.3.1說明本詞實(shí)際上是指板材樹脂的“難燃性”（Inflammability）而言，重要規(guī)范與規(guī)格之來源有二，即(1)UL-94 and UL-796 (2)NEMA LI1-1989。常見之FR-4、FR-5等術(shù)語即出自NEMA之規(guī)范。為了大眾安全起見，電子產(chǎn)品的用料均須達(dá)到“難燃”或“抗燃” 的效果（即指火源消失后須具自熄Self-Distinguish的性質(zhì)），以減少火災(zāi)發(fā)生時(shí)的危險(xiǎn)性，是產(chǎn)品品質(zhì)以外的安全規(guī)定。許多不內(nèi)行的業(yè)者所常用的廣告詞竟出現(xiàn)：“本公司產(chǎn)品品質(zhì)均已符合UL的規(guī)定”，是一種“鐵路警察查戶口”式的笑話。銅箔基板品質(zhì)術(shù)語之詮釋(二) 主編白蓉生先生3.3.2做法

17、本項(xiàng)目的做法，可按UL-94或NEMA LI1-1989，不過IPC-TM-650之2.3.10法卻是引用前者。其無銅試樣之尺寸為：5吋X5吋（厚度視產(chǎn)品而不同），每次做5樣，每樣試燒兩次。試燒用之本生燈高4吋，管口直徑0.37吋，所用瓦斯可采天然氣，丁烷，丙烷等均可，但每ft3 須具有1000BTU的熱量。若出現(xiàn)爭(zhēng)議時(shí)，則工業(yè)級(jí)的甲烷氣（Methane）可作為標(biāo)準(zhǔn)燃料。點(diǎn)燃火焰時(shí)，其垂直焰高應(yīng)為0.75吋之藍(lán)焰，可分別調(diào)整燃料氣與空氣的進(jìn)量，直到焰尖為黃色而焰體為藍(lán)色即可。試樣應(yīng)垂直固定在支架上，夾點(diǎn)須在0.25吋的邊寬以內(nèi)，下緣距焰尖之落差為0.375吋。 試燒時(shí)將火焰置于之試樣下約10&

18、#177; 0.5秒后，即移出火源，立即用碼表記下火焰之延燒秒數(shù)。直到火焰停止后又立即送回火苗至試樣下方，再做第二次試燒。如此每樣燒兩次，五樣共燒10次，根據(jù)NEMA之規(guī)定，10次延燒總秒數(shù)低于50秒者稱為V-0級(jí)，低于250秒者稱為V-1級(jí)，凡符合V-1級(jí)難燃性的環(huán)氧樹脂，即可稱為FR-4級(jí)樹脂。 但I(xiàn)PC-4101/21中的報(bào)告方式，卻是采“平均燃秒”上限不可超過5秒，與“單獨(dú)燃秒”上限不可超過10秒，作為計(jì)錄。 3.3.3溴化物抗燃說明 一般性環(huán)氧樹脂，是由丙二酚（Bisphenol A）與環(huán)氧氯丙烷（Epichloro Hydrin）二者所聚合而成，并不具難燃性（Flame Retar

19、dent），無法符合UL-94的規(guī)定。但若將“丙二酚”先行溴化反應(yīng)，而改質(zhì)成為“四溴丙二酚”，再混入液態(tài)環(huán)氧樹脂（A-stage），使其溴含量之重量比達(dá)20?囈隕鮮保 純賞ü?UL-94起碼之 V-1規(guī)定，而成為難燃性的FR-4了。 電子產(chǎn)品一旦發(fā)生火災(zāi)或燃燒處理廢板材之際，若其反應(yīng)溫度在850以下時(shí)，將會(huì)有產(chǎn)生“戴奧辛”（Dioxin）劇毒的危險(xiǎn)裂解物。故為了工安，環(huán)保，與生態(tài)環(huán)境起見，業(yè)界已有共識(shí)，將自2004年起，計(jì)劃逐漸淘汰（face-out）溴素（是鹵素的一種）的使用，總行動(dòng)稱為Halogen Free。目前日本業(yè)者的取代技術(shù)已漸趨成熟，而歐洲業(yè)界所唱的高調(diào)與法令的配合，已

20、在全球業(yè)界形成必然之勢(shì)，使得主要PCB生產(chǎn)基地的亞太地區(qū)，只好俯首稱臣加緊配合。 3.3.4難燃原理與商品 1.捕捉燃燒中出現(xiàn)的自由基（Free Radical，指H?），阻礙燃燒的進(jìn)行傳統(tǒng)FR-4環(huán)氧樹脂所加入的溴（Br），會(huì)在高溫中形成HBr，亦即對(duì)H之可燃性自由基加以捕捉，使燃燒不易進(jìn)行。此即為添加鹵素（Halogen）達(dá)到難燃的目的。除溴之外尚可添加毒性較少的氯，或鹵素之磷系等均可，但并不比原來溴素高明多少。 2.添加氫氧化物等助劑，使在燃燒過程中本身進(jìn)行脫水反應(yīng)，而得以降溫及阻絕氧氣與可燃物之結(jié)合，而達(dá)難燃之目的不過此等添加物?z如Al(OH)3?會(huì)增加板材的“極性”（Polarit

21、y），有損板材的電氣性質(zhì)，只能用于品級(jí)較低的PCB中。 3.加入不可燃的氮或硅或磷，以沖淡可燃物減少燃性 此種含氮物等又分有機(jī)物與無機(jī)物兩類，日本已有商品，整體效果較好。如日立化成的多層板材MCL-RO-67G即為典型例子。 4.燃燒中產(chǎn)生覆蓋物阻絕與氧氣的供應(yīng)而達(dá)難燃，如磷化物于高溫中形成聚磷酸之焦膜，覆蓋可燃物，斷絕氧氣減少其燃性但此系亦會(huì)產(chǎn)有害的紅磷附產(chǎn)物，并不見得比原來的鹵素好到哪去。 5.大量加入無機(jī)填充料（Filler），減少有機(jī)可燃物之比率以降低燃性 如日立化成所新推出的封裝材料MCL-E-679F（G）中，即加入體積比60-80?囆×吹奈藁 畛淞希 聰榷云渥齬 厥獾謀

22、礱媧 恚?FICS），使與樹脂主構(gòu)體之間產(chǎn)生更好的親和力，且分散力也更好。 3.4.Glass Transition Temperature(Tg) 玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(不在IPC-4101/21中，但最重要) 聚合物(即Ploymer ，亦稱高分子材料或樹脂等)會(huì)因溫度的升降，而造成其物性的變化。當(dāng)其在常溫時(shí)，通常會(huì)呈現(xiàn)一種非結(jié)晶無定形態(tài)(Amorphous)之脆硬玻璃狀固體(此處之玻璃，是對(duì)組成不定各種物體之廣義解釋，并非常見狹義之透明玻璃)；但當(dāng)在高溫時(shí)卻將轉(zhuǎn)變成為一種如同橡膠狀的彈性固體(Elastomer)。這種由常溫“玻璃態(tài)”，轉(zhuǎn)變成物性明顯不同的高溫“橡膠態(tài)”過程中，其狹窄之溫變過度

23、區(qū)域，特稱為“玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度”；可簡(jiǎn)寫成Tg，但應(yīng)讀成“Ts of G”，以示其轉(zhuǎn)態(tài)的溫度并非只在某一溫度點(diǎn)上。 此種狀態(tài)“轉(zhuǎn)換”的溫度帶雖非聚合物的熔點(diǎn)，但卻可明顯看出橡膠態(tài)的熱脹系數(shù)(CTE)要高于玻璃態(tài)的3或4倍。凡板材的Tg不夠高時(shí)，在高溫的強(qiáng)烈Z膨脹應(yīng)力下，可能會(huì)造成PTH孔銅壁的斷裂?，F(xiàn)行FR4之平均Tg已可135，而CEM-1亦有110，且在板厚之降低與鍍銅品質(zhì)的改善下，斷孔的機(jī)率已比早先降低很多了。 由眾多實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)可知，Tg較高的板材，其熱脹系數(shù)(CTE)較低，耐熱性(Heat Resistance)良好，硬挺性（Stiffness or Rigidity）亦佳，板材之尺度安定

24、性（Dimentional Stability）改善，且吸濕率(Moisture)亦較低，耐化性(Chemical Resistance含耐溶劑性)提升，各種電性性能亦較好，且不易出現(xiàn)白點(diǎn)白斑（measling and crazing）等缺點(diǎn)。故一般業(yè)者常要求板材在成本范圍內(nèi)，須盡量提高其Tg，以減少制程的變異與板材品質(zhì)的不穩(wěn)。 但由于Tg的測(cè)定的方法很多，而且所得數(shù)據(jù)之差異也頗大。須注意其實(shí)驗(yàn)之升溫速率，應(yīng)控制在5至10之間，不可太急。常用之測(cè)試法有DSC、TMA及DMA等三種，現(xiàn)說明如下： 3.4.1 DSC系指Differential Scanning Calorimetry (示差掃瞄

25、卡計(jì))，是在量測(cè)升溫中板材之“熱容量”(Heat capacity)變化(即Heat flow變化)。系在其變化最大的斜率處，以切線方式找出居中值即可。本法由于板材升溫中，其熱容量變化并不大，故對(duì)Tg測(cè)定的靈敏度較差。 3.4.2 TMA系指Thermal Mechanical Analysis(熱機(jī)械分析法)，是量測(cè)升溫中板材“熱脹系數(shù)”(CTE)的變化。通常樣板厚度在50mil以上者，本法測(cè)試之準(zhǔn)確度要比DSC法更好。3.4.3 DMA系指Dynamic Mechanical Analysis (動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法)，是檢測(cè)升溫中聚合物在“粘彈性變化”方面的數(shù)據(jù)，或量測(cè)升溫中板材在模數(shù)(Mo

26、dulus)與硬挺性(Stiffness)方面的變化。其靈敏度最好，是三種方法中測(cè)值較高的一種（如同樣品之TMA測(cè)值為145，DSC約為150，而DMA則約為165）。到底哪一種最準(zhǔn)確，則人云皆非真相不易得知。不過本法對(duì)板材中有好幾種不同樹脂之混合者，亦能一一將之測(cè)出，但使用者之技術(shù)也較高。銅箔基板品質(zhì)術(shù)語之詮釋(三) 主編白蓉生先生抗撕強(qiáng)度Peel Strength(次重要) 這是CNS的正確譯詞，而且早已行之有年。其典雅貼切足證前輩功力之高?？上承┿~箔基板業(yè)者們不明就里不讀正書，竟自做聰明按日文字面直接說成" 剝離強(qiáng)度 "，不但信雅達(dá)欠周，且欲待呈現(xiàn)之原義也盡失，雖不

27、至背道而馳卻也頗乏神似而殊為遺憾。 此詞是指銅箔對(duì)基材板的附著力或固著力而言，常以每吋寬度銅箔垂直撕起所需的力量做為表達(dá)單位。這當(dāng)然不僅量測(cè)原板材的到貨(As Received)情形，也還要仿真電路板制程的高溫環(huán)境，熱應(yīng)力，濕制程化學(xué)槽液等的各種折磨，以及耐溶劑的考驗(yàn)，然后檢視其銅箔附著力是否發(fā)生劣化。之所以如此，實(shí)乃因線路愈來愈細(xì)密時(shí)，其附著力的穩(wěn)定性(Consistency)將益形重要，而并非原板材銅箔附著力平均值很高就算完事。 PC-4101/21就FR-4板材之此號(hào)規(guī)格單中，對(duì)該類基板之抗撕強(qiáng)度已劃分成三項(xiàng)試驗(yàn)及允收規(guī)格，即： A. 厚度17um以上之低棱線銅箔(Low Profile

28、)，其測(cè)值無論厚板(指0.78mm或31 mil以上)或薄板(指0.78mm或31 mil 以下)均需超過70?K/m(或3.938磅/吋)之規(guī)格。B.標(biāo)準(zhǔn)棱線抓地力較強(qiáng)之銅箔（即IPC-CF-150之Grade 1）又有三種情況(試驗(yàn)方法均按IPC-TM-650之2.4.8節(jié)之規(guī)定)： (B-1)：熱應(yīng)力試驗(yàn)后(288漂錫10秒鐘)；薄板者須超過80?K/m(或4.47磅/吋)，厚板者須超過105?K/m(或5.87磅/吋)。 (B-2)：于125高溫中；薄板與厚板均須超過70?K/m(約4 lb/in)。(B-3)：經(jīng)濕制程考驗(yàn)后；薄板須超過55?K/m(或3.08 lb/in)厚板須超過

29、80?K/m(或4.47 lb/in)。C.其它銅箔者，其抗撕強(qiáng)度之允收規(guī)格則須供需雙方之同意。D.試驗(yàn)頻度：按IPC-4101表5之規(guī)定，上述B-1項(xiàng)品質(zhì)出貨時(shí)須逐批試驗(yàn)，B-2項(xiàng)則三個(gè)月驗(yàn)一次，而B-3項(xiàng)也是三個(gè)月驗(yàn)一次。一般業(yè)者經(jīng)常對(duì)抗撕強(qiáng)度 隨便說說的 8磅 ，系指早期美軍規(guī)范(MIL-P-13949)舊“規(guī)格單4D”中，對(duì)厚度1oz之標(biāo)準(zhǔn)銅箔之 8 lb/in 而言，立論十分松散不足為訓(xùn)。2. Volume Resistivity 體積電阻率(不重要) 系在量測(cè)板材本身的絕緣品質(zhì)如何，是以“電阻值”為其量化標(biāo)準(zhǔn)。例如在各種DC高電壓下，測(cè)試兩通孔間板材的電阻值，即為絕緣品質(zhì)的一種量測(cè)

30、法。由于板材試驗(yàn)前的情況各異，試驗(yàn)中周遭環(huán)境也不同，故對(duì)本術(shù)語與下述之 “表面電阻率” 在數(shù)據(jù)都會(huì)造成很大的變化。 例如軍規(guī)MIL-P-13949要求20mil以上的FR-4厚板材，執(zhí)行本試驗(yàn)前須在 50/10?RH 與 25/90?RH 兩種環(huán)境之間，先進(jìn)行往返10次的變換，然后才在第10次 25/90?RH 之后進(jìn)行本試驗(yàn)。至于原在20mil以上的FR-4厚板材，則另要求在C-96/35/90(ASTM表示法，即35，90?RH，放置96小時(shí))之環(huán)境中先行適況處理，且另外還要求在125的高溫中，量測(cè)FR-4的電阻率讀值。IPC-4101在其表5中對(duì)此項(xiàng)基板品質(zhì)項(xiàng)目，要求12個(gè)月才測(cè)一次(由

31、此可見本項(xiàng)并不重要)。每次取6個(gè)樣片，須按IPC-TM-650手冊(cè)之2.5.17.1測(cè)試法進(jìn)行實(shí)做，而及格標(biāo)準(zhǔn)則另按各單獨(dú)板材之特定規(guī)格單。至于最常見FR-4之厚板(指0.78mm或30.4mil以上)經(jīng)吸濕后，其讀值仍須在106Megohm-cm以上，高溫中試驗(yàn)之及格標(biāo)準(zhǔn)亦應(yīng)在103Megohm-cm以上。 其實(shí)此種 "體積電阻率"也就是所謂的"比絕緣"(Specific Insulation)值，系指板材在三度空間各邊長(zhǎng)1cm的塊狀絕緣體上，分別自其兩對(duì)面所測(cè)得電阻值大小之謂也。因目前基材板的技術(shù)已非常進(jìn)步，此種基本絕緣品質(zhì)想要不及格還不太容易呢，似

32、無必要詳加追究。3. Surface Resistivity 表面電阻率(不重要) 系量測(cè)單一板面上，相鄰10mil兩導(dǎo)體間之表面電阻率。不過當(dāng)板材的事先適況處理與試驗(yàn)環(huán)境不同時(shí)，其之測(cè)值亦有很大的變化。本試驗(yàn)前各種板材所應(yīng)執(zhí)行的10次適況前處理，則與前項(xiàng)體積電阻率之做法相同，而125的高溫中試驗(yàn)也按前項(xiàng)實(shí)施。 IPC-4101亦將此項(xiàng)目收納在其表5中，測(cè)試方法與12個(gè)月測(cè)試之頻度，也與前項(xiàng)完全相同。早年樹脂的生產(chǎn)技術(shù)自然不如目前遠(yuǎn)甚，時(shí)常擔(dān)心樹脂或玻纖布中夾雜有離子性的殘?jiān)?，一旦如此將造成板材絕緣品質(zhì)的劣化，是故早年的老舊規(guī)范中，都加設(shè)了上述兩項(xiàng)絕緣品質(zhì)之"電阻率"規(guī)格。

33、 然而基材板中若要12個(gè)月才測(cè)一次的品質(zhì)項(xiàng)目，又能對(duì)每天大量出貨的PCB工業(yè)有何幫助？有什么把關(guān)的必要？真是天曉得! 想必此等可有可無不關(guān)痛癢的陋規(guī)，將來遲早會(huì)被取消而成為歷史。 4. Moisture Absorption 吸濕率(又名Water Absorption)(次重要) 此項(xiàng)品質(zhì)系訂定于IPC-4101之表5，須每三個(gè)月取4個(gè)樣板去做試驗(yàn)。又按IPC-4101/21對(duì)FR-4基板的規(guī)定，厚度低于0.78mm(30.5mil)的薄板要求吸濕率不可超過0.80?嚕?30.5mil以上的厚板則須低于0.35?嚒? 至于測(cè)試方法，則應(yīng)按IPC-TM-650手冊(cè)之2.6.2.1方法去進(jìn)行。其

34、做法是裁取2吋X2吋的樣板，板邊四面都要用400號(hào)砂紙小心磨平，再將兩面銅箔蝕刻掉，洗凈后放置在105-110烤箱中烘烤1小時(shí)，取出后于干燥皿中冷到室溫，再精稱其重量到0.1mg。之后的吸水實(shí)驗(yàn)也很簡(jiǎn)單，即將樣板浸在23±1的蒸餾水中24小時(shí)。取出后立即擦干并立即精秤即可。 4.1原理詮釋： 理論上純水是不導(dǎo)電的，若板材吸水后應(yīng)不致造成絕緣品質(zhì)的劣化，或出現(xiàn)漏電的缺失。當(dāng)然若所吸到的是不純的水，自然會(huì)影響到板材的絕緣品質(zhì)。但讀者們卻不可忘記，水分子是一種"極性"頗強(qiáng)的化合物，其"相對(duì)容電率"(r.即老式說法的介質(zhì)常數(shù)Dk)高達(dá)75，故板材吸水后

35、所制作的多層板傳輸線，必然會(huì)造成訊號(hào)傳播速率(Vp)的降低，原理從Maxwell Equation:Vp=C/ r中可得其詳。(Vp：訊號(hào)之傳播速度、C：光速、r：訊號(hào)線周圍介質(zhì)之相對(duì)容電率) 其次是板材所可能吸到水份，當(dāng)然不可能是純水，何況鉆孔鍍孔以及眾多的濕式流程，怎么可能會(huì)不吸入離子性漏電的物質(zhì)？是故有了水后“玻纖絲陽極性漏電”之缺失(CAF；Conductive Anodic Filament)就難免不會(huì)發(fā)生了。而且吸了水的板材遇到瞬間高溫焊接或噴?柺保 厝換岵 宓畝窆 餼褪嵌曰 陌逖細(xì)褚 笪 使壞偷娜 種饕 頡? 目前由于樹脂配方技術(shù)與膠片含浸工程的長(zhǎng)足進(jìn)步，一般商品板材之吸水率都遠(yuǎn)

36、于規(guī)格值的數(shù)十倍以下，換句話說吸水率早已不是問題了，除非規(guī)格值再嚴(yán)加降低，或改用壓力鍋試驗(yàn)(PCT;Pressure Cooker Test)更嚴(yán)酷的做法，才會(huì)面臨挑戰(zhàn)。 5. Dielectric Breakdown介質(zhì)崩潰(次重要) 系刻意不斷提高AC測(cè)試之電壓至50KV以上，以觀察厚板材中相距1吋之兩插孔電極，其崩潰打穿的起碼電壓值為何。按IPC-4101表5的規(guī)定，此項(xiàng)品質(zhì)亦系三個(gè)月測(cè)一次，每次取三個(gè)樣片。至于IPC-4101/21對(duì)FR-4原板之及格標(biāo)準(zhǔn)，則另訂定下限為40KV。 其試驗(yàn)法系按IPC-TM-650之2.5.6 B法(1986.5)去進(jìn)行。所取無銅箔之樣板其大小為3吋

37、X2吋(厚度在30.5mil以上)，沿其板長(zhǎng)方向的中心線上，鉆出相距1吋而直徑各為188mil的穿孔兩個(gè)，并分別插入兩錐狀電極(其一為高電壓極，其二為接地極)，然后連以電纜一同浸于絕緣油槽中(如Shell Dial Ax即可)。再按上表以每秒調(diào)升500V之方式逐漸升高測(cè)試電壓，仔細(xì)觀察所發(fā)生之崩潰的情形，且記錄其三個(gè)數(shù)據(jù)及求平均值。但若并未出現(xiàn)崩潰時(shí)，即以其可調(diào)之最高電壓值為紀(jì)錄。 6.Flexural Strength 抗撓強(qiáng)度(又稱Flexural Modulus 抗撓模數(shù))(不重要) 6.1詮釋 聚是指基材板所在承受多少重量之下，而尚不致折斷的機(jī)械強(qiáng)度。也就是說做成電路板后，可以承載多少

38、組件而不變形的能力。換言之就是在測(cè)板材的硬挺性（Stiffness or Rigidity），口語上似可說成“抗彎強(qiáng)度”或“抗彎能力”。板材若在本項(xiàng)之品質(zhì)良好時(shí)，其板彎板翹也就低了。 此“抗撓強(qiáng)度”的試驗(yàn)方法，可按IPC-TM-650之2.4.4法（1994.12）去做，該法指出本項(xiàng)目是針對(duì)厚板而做，而厚板與薄板的分界卻是0.51mm（20mil），與現(xiàn)行分法（1997.12）的0.78mm（31mil）又有所不同。按品質(zhì)管理的精神，當(dāng)然是“后來居上”取代前者，故知此種基板硬挺性品質(zhì)是針對(duì)31mil以上的厚板而言。6.2做法 實(shí)際做法很簡(jiǎn)單，是將板材自底面以“兩桿”支撐，再自頂面的中央以“固定

39、寬度的重頭（Crosshead）”用力向下壓。該壓試機(jī)“之支撐跨距（Span）與下壓速度（Speed of Testing）等數(shù)據(jù)，以及對(duì)應(yīng)試驗(yàn)板在長(zhǎng)寬厚等尺度方面的關(guān)系，均按下表之規(guī)定： 上述試驗(yàn)機(jī)之支撐桿上緣與下壓重頭之下緣（Nose），均須呈現(xiàn)圓弧表面，樣板外緣亦須保持平整，不可出現(xiàn)缺口撕口等。試驗(yàn)要一直用力壓下直到樣板斷裂為止。所得數(shù)據(jù)以“磅”或“公斤”為單位，再按樣板面積換算成“壓力強(qiáng)度”的PSI或Kg/M2，做為允收規(guī)格。IPC-4101/21中即已列入現(xiàn)行的允收規(guī)格長(zhǎng)方向之下限為4.23X107 kg/m2，橫方向之下限為3.52X107kg/m2。 7.Flexural Str

40、ength at Elevalted Temperature 高溫中抗撓強(qiáng)度(次重要) 系為已搭載零件的板子，在高溫焊接中仿真其抗撓強(qiáng)度如何的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)可按IPC-TM-650之2.4.4.1規(guī)定去做，是將樣板放在已有夾具的特定烤箱內(nèi)，去進(jìn)行壓試。該烤箱須能控溫在 3以內(nèi)，不同板材之溫度條件另有表格規(guī)定。所有做法與前項(xiàng)常溫者類同。 此等板材高溫“硬挺性”之品質(zhì)好壞，對(duì)表面貼裝（SMT）各種零件之焊點(diǎn)強(qiáng)度甚具影響力。目前各種小型手執(zhí)電子機(jī)器的流行，連薄板也要考慮到本項(xiàng)品質(zhì)了。不過由于樹脂在Tg方面的提高，與玻纖布的改善（如Asahi-Scwebel專利壓扁分散的玻纖布），使得本項(xiàng)品質(zhì)也改善極多。 8. Arc Resistance 耐電弧性(不重要) 是對(duì)無銅箔之清潔厚板面上，以高電壓低電流（0.1A以下）的兩個(gè)鎢金屬平面之電極測(cè)頭，在0