铜箔基板品质术语之诠释

铜箔基板品质术语之诠释
Part-II
──主編白蓉生先生1. 抗撕強度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。

惋惜某些銅箔基板業者們不明就裡不讀正書，竟自做聰明按日文字面直接說成" 剝離強度 "，不但信雅達欠週，且欲待呈現之原義也盡失，雖不至背道而馳卻也頗乏神似而殊為遺憾。

此詞是指銅箔對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气做為表達單位。

這當然不僅量測原板材的到貨
(As Received)情形，也還要模擬電路板製程的高溫環境，熱應力，濕製程化學槽液等的各種折磨，以及耐溶劑的考驗，然後檢視其銅箔附著力能否發生劣化。

之所以如此，實乃因線路愈來愈細密時，其附著力的穩定性(Consistency)將益形重要，而並非原板材銅箔附著力平均值很高就算完事。

PC-4101/21就FR-4板材之此號規格單中，對該類基板之抗撕強度已劃分红三項試驗及允收規格，即：
A. 厚度17um以上之低稜線銅箔(Low Profile)，其測值無論厚板(指
0.78mm或31 mil以上)或薄板(指0.78mm或31 mil 以下)均需超過70㎏/m(或3.938磅/吋)之規格。

B.標準稜線抓地力較強之銅箔〔即IPC-CF-150之Grade 1〕又有三種情況(試驗方法均按IPC-TM-650之2.4.8節之規定)：
(B-1)：熱應力試驗後(288℃漂錫10秒鐘)；薄板者須超過80㎏/m(或4.47磅/吋)，厚板者須超過105㎏/m(或5.87磅/吋)。

(B-2)：於125℃高溫中；薄板與厚板均須超過70㎏/m(約4 lb/in)。

(B-3)：經濕製程考驗後；薄板須超過55㎏/m(或3.08 lb/in)厚板須超過80㎏/m(或4.47 lb/in)。

C.其他銅箔者，其抗撕強度之允收規格則須供需雙方之赞同。

D.試驗頻度：按IPC-4101表5之規定，上述B-1項品質出貨時須逐批試驗，B-2項則三個月驗一次，而B-3項也是三個月驗一次。

普通業者經常對抗撕強度隨便說說的 8磅，係指早期美軍規範(MIL-P-13949)舊〝規格單4D〞中，對厚度1oz之標準銅箔之 8 lb/in 而言，立論十分鬆散缺乏為訓。

2. Volume Resistivity 体積電阻率(不重要)
係在量測板材自身的絕緣品質如何，是以〝電阻值〞為其量化標準。

例如在各種DC高電壓下，測試兩通孔間板材的電阻值，即為絕緣品質的一種量測法。

由於板材試驗前的情況各異，試驗中周遭環境也不同，故對本術語與下述之〝外表電阻率〞在數據都會形成很大的變化。

例如軍規MIL-P-13949要求20mil以上的FR-4厚板材，執行本試驗前須在 50℃/10﹪RH 與 25℃/90﹪RH 兩種環境之間，先進行往复10
次的變換，然後才在第10次 25℃/90﹪RH 之後進行本試驗。

至於原在
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)之環境中先行適況處理，且另外還要求在125℃的高溫中，量測FR-4的電阻率讀值。

IPC-4101在其表5中對此項基板品質項目，要求12個月才測一次(由此可見本項並不重要)。

每次取6個樣片，須按IPC-TM-650手冊之
2.5.17.1測試法進行實做，而及格標準則另按各單獨板材之特定規格單。

至於最常見FR-4之厚板(指0.78mm或30.4mil以上)經吸濕後，其讀值仍須在106Megohm-cm以上，高溫中試驗之及格標準亦應在103Megohm-cm以
上。

其實此種 "体積電阻率"也就是所謂的"比絕緣
"(Specific Insulation)值，係指板材在三度空間各邊長1cm的塊狀絕緣體上，分別自其兩對面所測得電阻值大小之謂也。

因目前基材板的技術已十分進步，此種基本絕緣品質想要不及格還不太容易呢，似無必要詳加清查。

3. Surface Resistivity 外表電阻率(不重要)
係量測單一板面上，相鄰10mil兩導体間之外表電阻率。

不過當板材的事前適況處理與試驗環境不同時，其之測值亦有很大的變化。

本試驗前各種板材所應執行的10次適況前處理，則與前項体積電阻率之做法相反，而125℃的高溫中試驗也按前項實施。

IPC-4101亦將此項目收納在其表5中，測試方法與12個月測試之頻度，也與前項完全相反。

早年樹脂的生產技術自然不如目前遠甚，時常擔心樹脂或玻纖布中夾雜有離子性的殘渣，一旦如此將形成板材絕緣品質的劣化，是故早年的老舊規範中，都加設了上述兩項絕緣品質之"電阻率"規格。

但是基材板中假定要12個月才測一次的品質項目，又能對每天少量出貨的PCB工業有何幫助？有什麼把關的必要？真是天曉得! 想必此等可有可無不關痛癢的陋規，將來遲早會被取消而成為歷史。

4. Moisture Absorption 吸濕率(又名Water Absorption)(次重要)
此項品質係訂定於IPC-4101之表5，須每三個月取4個樣板去做試驗。

又按IPC-4101/21對FR-4基板的規定，厚度低於0.78mm(30.5mil)的薄板要求吸濕率不可超過0.80﹪；30.5mil以上的厚板則須低於0.35﹪。

至於測試方法，則應按IPC-TM-650手冊之2.6.2.1方法去進行。

其做法是裁取2吋X2吋的樣板，板邊四面都要用400號砂紙小心磨平，再將兩面銅箔蝕刻掉，洗淨後放置在105℃-110℃烤箱中烘烤1小時，取出後於乾燥皿中冷到室溫，再精稱其重量到0.1mg。

之後的吸水實驗也很簡單，即將樣板浸在23℃±1℃的蒸餾水中24小時。

取出後立刻擦乾並立刻精秤即可。

4.1原理詮釋：
理論上純水是不導電的，假定板材吸水後應不致形成絕緣品質的劣化，或出現漏電的缺失。

當然假定所吸到的是不純的水，自然會影響到板材的絕緣品質。

但讀者們卻不可忘記，水分子是一種"極性"頗強的化合物，其"相對容電率"(εr.即老式說法的介質常數Dk)高達75，故板材吸水後所製作的多層板傳輸線，肯定會形成訊號傳播速率(Vp)的降低，原理從Maxwell Equation:Vp=C/ √εr中可得其詳。

(Vp：訊號之傳播速度、C：光速、εr：訊號線周圍介質之相對容電率)
其次是板材所能够吸到水份，當然不能够是純水，何況鑽孔鍍孔以及眾多的溼式流程，怎麼能够會不吸入離子性漏電的物質？是故有了水後〝玻纖絲陽極性漏電〞之缺失(CAF；Conductive Anodic Filament)就難免不會發生了。

而且吸了水的板材遇到瞬間高溫焊接或噴鍚時，肯定會產生爆板的惡果，這就是對基材板嚴格要求吸水率夠低的三種主要缘由。

目前由於樹脂配方技術與膠片含浸工程的長足進步，普通商品板材之吸水率都遠於規格值的數十倍以下，換句話說吸水率早已不是問題了，除非規格值再嚴加降低，或改用壓力鍋試驗(PCT;Pressure Cooker Test)更嚴酷的做法，才會面臨挑戰。

5. Dielectric Breakdown介質崩潰(次重要)
係刻意不斷提高AC測試之電壓至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的規定，此項品質亦係三個月測一次，每次取三個樣片。

至於IPC-4101/21對FR-4原板之及格標準，則另訂定下限為40KV。

其試驗法係按IPC-TM-650之2.5.6 B法(1986.5)去進行。

所取無銅箔之樣板其大小為3吋 X2吋(厚度在30.5mil以上)，沿其板長方向的中心線上，鑽出相距1吋而直徑各為188mil的穿孔兩個，並分別拔出兩錐狀電極(其一為高電壓極，其二為接地極)，然後連以電纜一同浸於絕緣油
槽中(如Shell Dial Ax即可)。

再按上表以每秒調升500V之方式逐漸降低測試電壓，仔細觀察所發生之崩潰的情形，且記錄其三個數據及求平均值。

但假定並未出現崩潰時，即以其可調之最高電壓值為紀錄。

6.Flexural Strength 抗撓強度(又稱Flexural Modulus 抗撓模數)(不重要)
6.1詮釋
聚是指基材板所在接受多少重量之下，而尚不致折斷的機械強度。

也就是說做成電路板後，可以承載多少元件而不變形的才干。

換言之就是在測板材的硬挺性〔Stiffness or Rigidity〕，口語上似可說成〝抗彎強度〞或〝抗彎才干〞。

板材假定在本項之品質良好時，其板彎板翹也就低了。

此〝抗撓強度〞的試驗方法，可按IPC-TM-650之2.4.4法〔1994.12〕去做，該法指出本項目是針對厚板而做，而厚板與薄板的分界卻是0.51mm〔20mil〕，與現行分法〔1997.12〕的0.78mm〔31mil〕又有所不同。

按品質管理的肉体，當然是〝後來居上〞取代前者，故知此種基板硬挺性品質是針對31mil以上的厚板而言。

6.2做法
實際做法很簡單，是將板材自底面以〝兩桿〞支撐，再自頂面的中央以〝固定寬度的重頭〔Crosshead〕〞用力向下壓。

該壓試機〝之支撐跨距〔Span〕與下壓速度〔Speed of Testing〕等數據，以及對應試驗板在長寬厚等尺度方面的關係，均按下表之規定：
上述試驗機之支撐桿上緣與下壓重頭之下緣〔Nose〕，均須呈現圓弧外表，樣板外緣亦須坚持平整，不可出現缺口撕口等。

試驗要不时用力壓下直到樣板斷裂為止。

所得數據以〝磅〞或〝公斤〞為單位，再按樣板面積換算成〝壓力強度〞的PSI或Kg/M2，做為允收規格。

IPC-4101/21中即已列入現行的允收規格長方向之下限為4.23X107 kg/m2，橫方向之下
限為3.52X107kg/m2。

7.Flexural Strength
at Elevalted Temperature 高溫中抗撓強度(次重要)
係為已搭載零件的板子，在高溫焊接中模擬其抗撓強度如何的試驗。

實驗可按IPC-TM-650之2.4.4.1規定去做，是將樣板放在已有夾具的特定烤箱內，去進行壓試。

該烤箱須能控溫在 3℃以內，不同板材之溫度條件另有表格規定。

一切做法與前項常溫者類同。

此等板材高溫〝硬挺性〞之品質好壞，對外表貼裝〔SMT〕各種零件之焊點強度甚具影響力。

目前各種小型手執電子機器的盛行，連薄板也要考慮到本項品質了。

不過由於樹脂在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〕，使得本項品質也改善極多。

8. Arc Resistance 耐電弧性(不重要)
是對無銅箔之清潔厚板面上，以高電壓低電流〔0.1A以下〕的兩個鎢金屬平面之電極測頭，在0.25 的跨距下，當開動測試機時即產生空中之電弧，不久即會自動消逝於板材中。

此時板材即將有電弧之軌跡〔Tracksing〕出現，於是記錄下空中電弧消逝前所經歷的〝秒數〞，即為〝耐電弧〞的數據。

21號規格單要求應在60秒以上。

9.Thermal Stress 熱應力(次重要)
係取2 inX2 in各種厚度之板材，有銅箔與無銅箔者分別試驗，也就是在288℃的錫池外表漂浮10秒鐘。

洗淨之後在正常視力下〔左右眼各為2.0/2.0〕檢查板面之外觀，或另用4倍與10倍缩小鏡觀察板面，能否出現炭化〔Charing〕、外表污染、樹脂損傷、樹脂變軟、爆板分層、起泡、織紋顯露、瑕疵擴大、白點、白斑與坑陷等缺點。

至於有銅箔者則只檢查能否起泡或分層即可，此項品質與樹脂之Tg及板材吸水率有關。

目視標準可參考IPC-A-600F之各種圖示。

10.Dielectric Strength 介質強度(次重要)
本詞又稱為Electric Strength抗電強度，係量測板材在Z方向抵抗高電壓的才干。

本項品質之权衡，是將已發生打穿〔Failure〕之直流電壓實測數據，除以板厚所得數據之volt/mil或volt/mm為單位。

此項試驗只針
對薄板〔31mil以下〕而做，實驗須按IPC-TM-650之2.5.6.2法〔1997.8〕去進行。

21號規格單要求，及格標準之下限為2.90X104 V/mm。

11. Comparative Tracking Index 比較性漏電指數
此CTI是針對普通家電用品，或其他高電壓〔110V,220V〕電器品，所用單面基材板之品質項目。

因不屬於電腦資訊或通訊之領域，故IPC-4101並未將之納入，反倒是國際電工委員會〔IEC〕已收納於其IEC-STD-112之中〔電路板資訊雜誌曾將該份Publication 112於53期中全文翻譯，讀者可參考之〕。

係模擬完工電路板在运用環境中遭到污染，致使板面線路間距處出現漏電短路，且發熱燒焦的情形。

是比較各種板材能否耐得惡劣環境的侵犯，能否減少危險機率之試驗，也就是在最壞的计划下，看看電路板之板材能否過關的試驗。

其做法是在裸基材的板面上，在相距4mm之兩點，以60度的方向在100g的力气下刺入板材°電極尖端之錐度30o，刺定後在兩點之間不斷
滴下0.1%的氯化銨溶液，每30秒1滴，並通入高電壓〔100-600V〕之交流電〔AC〕進行試驗。

可先試用300V並使出現1安培的電流。

因板面上已有氯化銨溶液，故通電中會出現電阻而發熱，逐使溶液被蒸發走掉，於是又續滴下溶液直到50滴時，看看板材自身會不會漏電。

一旦當絕緣板材出現0.1A的漏電並超過0.5秒以上者，即紀錄為缺点〔Failure，此時蜂鳴器會發出叫聲〕，測試儀器也會自動記錄下發生缺点時已滴下的總滴數。

板材CTI的品質是指50滴仍未缺点者，其所呈現的外加電壓數值。

假定上述300V可順利過關時，還可再添加電壓為400V，500V，或600V等，直到出現缺点前之最高電壓，即為該板材的CTI數據。

普通規定FR-4及格標準是200-400V，而CEM-1也是200-400V，但日本業界有時會要求到800V 之嚴格標準。

非結晶性高分子之黏彈性分佈圖。