铜箔基板质量术语之诠释

Part-I -- 4 项最重要质量术语之诠释

By 张兴隆 

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 板材之质量详细规格，共列有 13 种质量项目。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. 最重要的质量术语诠释 

3.1.Reliative Permitivity( ε 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”（ 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 ）之质量不佳，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，其对讯号传输的质量才会更好。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，与上下重迭之面积 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ε r” 了。注意ε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质量。

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ε 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）M√ε r （周遭介质之相对容电率） 

此式若用在空气之场合时（ε r ＝ 1 ），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ε r （ Dk ）代入上式，其速率自然会比在空气中慢了许多，且ε 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ε 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“频率速率”不断提高下的讯号质量。 

不过若专业生产电容器时，则材料之ε r 反而要越高越好，而陶瓷之ε 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ε 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 ，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M 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（ 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（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。正如同质量再好的耐火砖，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（ε”）比上实值（ε’），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，并以图示表达如下： 

 

由上图三角函数的关系可知： 

Tand ＝对边M邻边＝ε”Mε’　 or 　＝虚M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ε 正接于ε ’ ）的“J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 质量因素 

又，基材板质量术语中还有一种“ 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 Factor ＝ 1/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，是产品质量以外的安全规定。许多不内行的业者所常用的广告词竟出现：“本公司产品质量均已符合 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 X5 迹ê穸仁硬品而不同），每次做 5 样，每样试烧两次。试烧用之本生灯高 4 迹管口直径 0.37 迹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 贾蓝焰，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 嫉谋呖硪阅冢下缘距焰尖之落差为 0.375 肌 

试烧时将火焰置于之试样下约 10± 0.5 秒后，即移出火源，立即用秒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。 

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，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 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z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 60-80 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 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“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质量的改善下，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 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质量的不稳。 

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” (Heat 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“黏弹性变化”方面的数据，或量测升温中板材在模数 (Modulus) 与硬挺性 (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。