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1、铜箔基板品质术语之诠释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。其中有的较为浅显者，几乎一看就懂无需赘言，如
2、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 早已成了漂亮的英文，说不定那天 People mountai
3、n 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
4、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。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”（Permitt
5、ivity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
6、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r”了。注意是希腊字母Episolon，并非大写
7、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
8、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 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
9、（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-65
10、0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，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 Los
11、s 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（Die
12、lectric 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（”）比上实值（），如此所得的
13、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
14、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/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
15、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
