铜箔基板质量术语之诠释 -2
Part-II
By 张兴隆
1. 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，常以每伎矶韧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 K /m( 或 3.938 磅 / ) 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 K /m( 或 4.47 磅 / ) ，厚板者须超过 105 K /m( 或 5.87 磅 / ) 。
(B-2) ：于 125 ℃ 高温中；薄板与厚板均须超过 70 K /m( 约 4 lb /in) 。
(B-3) ：经湿制程考验后；薄板须超过 55 K /m( 或 3.08 lb /in) 厚板须超过 80 K /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 项质量出货时须逐批试验， 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质量如何，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 20mil 以上的 FR-4 厚板材，执行本试验前须在 50 ℃ /10 RH 与 25 ℃ /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 厚板材，则另要求在 C-96/35/90(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 中对此项基板质量项目，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，此种基本绝缘质量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夹杂有离子性的残渣，一旦如此将造成板材绝缘质量的劣化，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 个月才测一次的质量项目，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 X2 嫉难板，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。
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质量的劣化，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质量。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 Maxwell Equation:Vp=C/ √ ε r 中可得其详。 (Vp ：讯号之传播速度、 C ：光速、ε 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喷时，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 贾两插孔电极，其崩溃打穿的起码电压值为何。按 IPC-4101 表 5 的规定，此项质量亦系三个月测一次，每次取三个样片。至于 IPC-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 X2 ( 厚度在 30.5mil 以上 ) ，沿其板长方向的中心在线，钻出相距 1 级直径各为 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。
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”。板材若在本项之质量良好时，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 ），与现行分法（ 1997.12 ）的 0.78mm （ 31mil ）又有所不同。按质量管理的精神，当然是“后来居上”取代前者，故知此种基板硬挺性质量是针对 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“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 4.23X 107 kg /m2 ，横方向之下限为 3.52X 107kg /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，在高温焊接中模拟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。
此等板材高温“硬挺性”之质量好坏，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质量了。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），使得本项质量也改善极多。
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”，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 inX 2 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，此项质量与树脂之 Tg 及板材吸水率有关。目视标准可参考 IPC-A -600F 之各种图示。
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10.Dielectric 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。本项质量之衡量，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，或其它高电压（ 110V,220V ）电器品，所用单面基材板之质量项目。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，看广告牌材本身会不会漏电。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 的质量是指 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。
非结晶性高分子之黏弹性分布图
