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1、PCB覆铜板主要性能介绍及应用趋势1. ivReliate Permitivity(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”(Electrostatic 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(Capacitanc
2、e)之間的關係與含義。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
3、)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(Capacitor)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r”了。注意是希臘字母Episolon,並非大寫的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
4、”(Dipole Moment,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。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(傳播速率)C(光速)r(周遭介質之相對容電率).此式若用在空氣之場合時(r1),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
5、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r(Dk)代入上式,其速率自然會比在空氣中慢了許多,且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“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。Loss Tanget 損失正切Disspation Fac
6、tor(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“實值”。所謂的Df,就是將虛值(”)比上實值(),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
7、(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
8、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),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
9、(Fence)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“難燃性”(Inflammability)而言,重要規範與規格之來源有二,即(1)UL-94 and UL-796 (2)NEMA LI1-1989。常見之FR-4、FR-5等術語即出自NEMA之規範。為了大眾安全起見,電子產品的用料均須達到“難燃”或“抗燃” 的效果(即指火源消失後須具自熄Self-Distinguish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
10、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”,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(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
11、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”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(Ep
12、ichloro 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,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
13、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。 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(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
14、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60-8
15、0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(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
16、“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(Moisture)亦较低,耐化性(Chemical Resistan