铜箔基板品质术语之诠释
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铜箔基板品质术语之诠释(一)
主编白蓉生先生
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.最重要的品质术语诠释
3.1.Reliative Permitivity(εr)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εr”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品质。
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εr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√εr(周遭介质之相对容电率)
此式若用在空气之场合时(εr=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εr(Dk)代入上式,其速率自然会比在空气中慢了许多,且εr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εr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εr反而要越高越好,而陶瓷之εr常在100以上正是容器的理想良材。
3.1.5测试方法
IPC-4101对εr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