銅箔基板品質(zhì)術(shù)語(yǔ)之詮釋

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事實(shí)上，絕緣板材之所以會(huì)出現(xiàn)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。由于其極性的存在，于是又產(chǎn)生一種電雙極式的“偶極矩”（DipoleMoment，例如純水25℃于Benzene中之?dāng)?shù)值即為1.36），進(jìn)而造成平行金屬板間之介質(zhì)材料，對(duì)靜電電荷產(chǎn)生“蓄或容”的負(fù)面效果，極性愈大時(shí)Dk也愈大，容蓄的靜電電荷也愈多。純水本身的Dk常高達(dá)75，故板材必須盡量避免吸水，才不致升高Dk而減緩了訊號(hào)的傳輸速度，以及對(duì)特性阻抗控制等電性品質(zhì)。業(yè)界重要的銅箔基板（CCL）規(guī)范，如早期的MIL-S-13949H（1993），現(xiàn)行的IPC-4101（1997）以及IEC-326等，均已改稱為Permittivity而不再說(shuō)成Dk了。然而國(guó)內(nèi)業(yè)者知道εr的人并不多，甚至連原來(lái)的Dk也多誤稱為“介電常數(shù)”，想必是前輩資深者天天忙碌與辛苦之下，只好不求甚解自欺欺人以訛傳訛，使得后進(jìn)者也糊里胡涂不得不跟著錯(cuò)下去了。3.1.4應(yīng)用詮釋上述“相對(duì)容電率”（即介質(zhì)常數(shù)）太大時(shí)，所造成訊號(hào)傳播（輸）速率變慢的效果，可利用著名的MaxwellEquation加以說(shuō)明：Vp（傳播速率）＝C（光速）∕√εr（周遭介質(zhì)之相對(duì)容電率）此式若用在空氣之場(chǎng)合時(shí)（εr＝1），此即說(shuō)明了空氣中的電波速率等于光速。但當(dāng)一般多層板面上訊號(hào)線中傳輸“方波訊號(hào)”時(shí)（可視為電磁波），須將FR-4板材與綠漆的εr（Dk）代入上式，其速率自然會(huì)比在空氣中慢了許多，且εr愈高時(shí)其速率會(huì)愈慢。正如同高速公路上若有大量污泥存在時(shí)，其車速之部份能量會(huì)被吸收，車速也會(huì)隨之變慢。還可換一種想象來(lái)加以說(shuō)明，如在彈簧路面上跑步時(shí)，其速度自然不如正常路面來(lái)得快，原因當(dāng)然還是部份能量被浪費(fèi)在彈跳上了。由此可知板材的εr要盡量抑抵的重要性了，且還要在溫度變化中具有穩(wěn)定性，方不致影響“時(shí)脈速率”不斷提高下的訊號(hào)品質(zhì)。不過(guò)若專業(yè)生產(chǎn)電容器時(shí)，則材料之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測(cè)試方法IPC-4101對(duì)εr及Df，都指定按IPC-TM-650之2.5.5.3法去做，即以Balsbaugh品牌之LD3DielectricCell去測(cè)Air的電容值（C1），及測(cè)DowCorning200Fluid油的電容值(C2)，再測(cè)第一樣板（3.2inX3.2inX板層）的電容值（C3），之后又測(cè)第二樣板的電容值（C4），即可利用其公式：然后再測(cè)液油的導(dǎo)電度G1，及第一樣板的導(dǎo)電度G2，并利用其公式計(jì)算出Df但上述做法是在1MHz的頻率下所測(cè)，所得數(shù)據(jù)已遠(yuǎn)不敷實(shí)際需要，對(duì)于近年來(lái)工作頻率高達(dá)1GHz甚至在1GHz以上之Dk者，則需另采“真空腔”方式（VacuumCavity）去測(cè)試才行，但此法在業(yè)界尚未流行。3.2LossTanget損失正切∕DisspationFactor（Df）散失因素(最重要)3.2.1原理說(shuō)明此詞在信息業(yè)與通信業(yè)最簡(jiǎn)單直接了當(dāng)?shù)亩x是“訊號(hào)線中已漏失（Loss）到絕緣板材中的能量，對(duì)尚存在（Stored）線中能量之比值”。但本詞在電學(xué)中原本卻是對(duì)交流電在功能損失上的一種度量，系絕緣材料的一種固有的性質(zhì)。即“散失因素”與電功損失成正比，與周期頻率（f）、電位梯度的平方（E2），及單位體積成反比，其數(shù)學(xué)關(guān)系為當(dāng)此詞Df用于訊號(hào)之高速傳輸（指數(shù)位邏輯領(lǐng)域）與高頻傳播（指RF射頻領(lǐng)域）等信息與通訊業(yè)中，尚另有三個(gè)常見的同義字，如損失因素（LossFactor）、介質(zhì)損失（DielectricLoss），以及損失正切LossTangent（日文稱為損失正接）等三種不同說(shuō)法的出現(xiàn)，甚至IC業(yè)者更簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)oss而已，其實(shí)內(nèi)涵并無(wú)不同。世界上并無(wú)完全絕緣的材料存在，再?gòu)?qiáng)的絕緣介質(zhì)只要在不斷提高測(cè)試電壓下，終究會(huì)出現(xiàn)打穿崩潰的結(jié)局。即使在很低的工作電壓下（如目前CPU的2.5V），訊號(hào)線中傳輸?shù)哪芰恳捕嗌贂?huì)漏往其所附著的介質(zhì)材料中。正如同品質(zhì)再好的耐火磚，也多少會(huì)散漏出一些熱量出來(lái)。3.2.2三角函數(shù)詮釋訊號(hào)線于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(shí)值”。所謂的Df，就是將虛值（ε”）比上實(shí)值（ε’），如此所得的比值正是“散失因素”的簡(jiǎn)單原始定義?，F(xiàn)再以虛實(shí)坐標(biāo)的復(fù)數(shù)觀念說(shuō)明，并以圖標(biāo)表達(dá)如下：由上圖三角函數(shù)的關(guān)系可知：Tand＝對(duì)邊∕鄰邊＝ε”∕ε’or＝虛∕實(shí)，這LossTangent豈不正是Df的原始定義的另一種分身面貌嗎？故知Tand損失正切（或日文的損失正接，由圖可知ε正接于ε''）的“跩文”說(shuō)法(Buzzword)完全是故弄玄虛賣弄學(xué)問(wèn)唬唬外行而已，說(shuō)穿了就不值一哂。3.2.3應(yīng)用詮釋對(duì)高頻（HighFrequency）訊號(hào)欲從板面往空中飛出而言，板材Df要愈低愈好，例如800MHz時(shí)最好不要超過(guò)0.01。否則將對(duì)射頻（RF）的通訊（信）產(chǎn)品具有不良影響。且頻率愈高時(shí)，板材的Df要愈小才行。正如同飛機(jī)要起飛時(shí)，其滑行的跑道一定要非常堅(jiān)硬，才不致造成能量的無(wú)法發(fā)揮。3.2.4Q-Factor品質(zhì)因素又，基材板品質(zhì)術(shù)語(yǔ)中還有一種“QualityFactor”（簡(jiǎn)稱為QFactor）的術(shù)語(yǔ)，其定義為上述之“實(shí)/虛”，恰與Df成為反比，即QFactor＝1/Df。高頻訊號(hào)傳輸之能量，工作中常會(huì)發(fā)生各種不當(dāng)?shù)膿p失，其一是往介質(zhì)板材中漏失，稱為DielectricLoss。其二是在導(dǎo)體中發(fā)熱的損失，稱為ConductorLoss。其三是形成電磁波往空氣中損失稱為RadiationLoss。前者可改用Df較低的板材制作高頻電路板，以減少損失。至于導(dǎo)體之損失，則可另以壓延銅箔或低棱線線銅箔，取代明顯柱狀結(jié)晶的粗糙E.D.Foil(Grade1)，以因應(yīng)不可避免的集膚效應(yīng)（SkinEffect）。而輻射損失則需另加遮蔽（Shielding），并導(dǎo)之于“接地層”的零電位中，以消除可能的后患。一般行動(dòng)電話手機(jī)板上，做為區(qū)隔用途的圍墻（Fence）根基(即鍍化鎳金之寬條)，其眾多接地用的圍墻孔（FenceHole），即可將組裝后金鐘罩所攔下的電磁波，消彌之于接地中，而不致于傷害到使用者的腦袋。3.2.5測(cè)試方法與前6.5相同。3.3Flammability燃性(最重要)

3.3.1說(shuō)明本詞實(shí)際上是指板材樹脂的“難燃性”（Inflammability）而言，重要規(guī)范與規(guī)格之來(lái)源有二，即(1)UL-94andUL-796(2)NEMALI1-1989。常見之FR-4、FR-5等術(shù)語(yǔ)即出自NEMA之規(guī)范。為了大眾安全起見，電子產(chǎn)品的用料均須達(dá)到“難燃”或“抗燃”的效果（即指火源消失后須具自熄Self-Distinguish的性質(zhì)），以減少火災(zāi)發(fā)生時(shí)的危險(xiǎn)性，是產(chǎn)品品質(zhì)以外的安全規(guī)定。許多不內(nèi)行的業(yè)者所常用的廣告詞竟出現(xiàn)：“本公司產(chǎn)品品質(zhì)均已符合UL的規(guī)定”，是一種“鐵路警察查戶口”式的笑話。3.3.2做法本項(xiàng)目的做法，可按UL-94或NEMALI1-1989，不過(guò)IPC-TM-650之2.3.10法卻是引用前者。其無(wú)銅試樣之尺寸為：5吋X5吋（厚度視產(chǎn)品而不同），每次做5樣，每樣試燒兩次。試燒用之本生燈高4吋，管口直徑0.37吋，所用瓦斯可采天然氣，丁烷，丙烷等均可，但每ft3須具有1000BTU的熱量。若出現(xiàn)爭(zhēng)議時(shí)，則工業(yè)級(jí)的甲烷氣（Methane）可作為標(biāo)準(zhǔn)燃料。點(diǎn)燃火焰時(shí)，其垂直焰高應(yīng)為0.75吋之藍(lán)焰，可分別調(diào)整燃料氣與空氣的進(jìn)量，直到焰尖為黃色而焰體為藍(lán)色即可。試樣應(yīng)垂直固定在支架上，夾點(diǎn)須在0.25吋的邊寬以內(nèi)，下緣距焰尖之落差為0.375吋。試燒時(shí)將火焰置于之試樣下約10±0.5秒后，即移出火源，立即用碼表記下火焰之延燒秒數(shù)。直到火焰停止后又立即送回火苗至試樣下方，再做第二次試燒。如此每樣燒兩次，五樣共燒10次，根據(jù)NEMA之規(guī)定，10次延燒總秒數(shù)低于50秒者稱為V-0級(jí)，低于250秒者稱為V-1級(jí)，凡符合V-1級(jí)難燃性的環(huán)氧樹脂，即可稱為FR-4級(jí)樹脂。但I(xiàn)PC-4101/21中的報(bào)告方式，卻是采“平均燃秒”上限不可超過(guò)5秒，與“單獨(dú)燃秒”上限不可超過(guò)10秒，作為計(jì)錄。3.3.3溴化物抗燃說(shuō)明一般性環(huán)氧樹脂，是由丙二酚（BisphenolA）與環(huán)氧氯丙烷（EpichloroHydrin）二者所聚合而成，并不具難燃性（FlameRetardent），無(wú)法符合UL-94的規(guī)定。但若將“丙二酚”先行溴化反應(yīng)，而改質(zhì)成為“四溴丙二酚”，再混入液態(tài)環(huán)氧樹脂（A-stage），使其溴含量之重量比達(dá)20﹪以上時(shí)，即可通過(guò)UL-94起碼之V-1規(guī)定，而成為難燃性的FR-4了。電子產(chǎn)品一旦發(fā)生火災(zāi)或燃燒處理廢板材之際，若其反應(yīng)溫度在850℃以下時(shí)，將會(huì)有產(chǎn)生“戴奧辛”（Dioxin）劇毒的危險(xiǎn)裂解物。故為了工安，環(huán)保，與生態(tài)環(huán)境起見，業(yè)界已有共識(shí)，將自2004年起，計(jì)劃逐漸淘汰（face-out）溴素（是鹵素的一種）的使用，總行動(dòng)稱為HalogenFree。目前日本業(yè)者的取代技術(shù)已漸趨成熟，而歐洲業(yè)界所唱的高調(diào)與法令的配合，已在全球業(yè)界形成必然之勢(shì)，使得主要PCB生產(chǎn)基地的亞太地區(qū)，只好俯首稱臣加緊配合。3.3.4難燃原理與商品1.捕捉燃燒中出現(xiàn)的自由基（FreeRadical，指H?），阻礙燃燒的進(jìn)行傳統(tǒng)FR-4環(huán)氧樹脂所加入的溴（Br），會(huì)在高溫中形成HBr，亦即對(duì)H之可燃性自由基加以捕捉，使燃燒不易進(jìn)行。此即為添加鹵素（Halogen）達(dá)到難燃的目的。除溴之外尚可添加毒性較少的氯，或鹵素之磷系等均可，但并不比原來(lái)溴素高明多少。2.添加氫氧化物等助劑，使在燃燒過(guò)程中本身進(jìn)行脫水反應(yīng)，而得以降溫及阻絕氧氣與可燃物之結(jié)合，而達(dá)難燃之目的不過(guò)此等添加物﹝如Al(OH)3﹞會(huì)增加板材的“極性”（Polarity），有損板材的電氣性質(zhì)，只能用于品級(jí)較低的PCB中。3.加入不可燃的氮或硅或磷，以沖淡可燃物減少燃性此種含氮物等又分有機(jī)物與無(wú)機(jī)物兩類，日本已有商品，整體效果較好。如日立化成的多層板材MCL-RO-67G即為典型例子。4.燃燒中產(chǎn)生覆蓋物阻絕與氧氣的供應(yīng)而達(dá)難燃，如磷化物于高溫中形成聚磷酸之焦膜，覆蓋可燃物，斷絕氧氣減少其燃性但此系亦會(huì)產(chǎn)有害的紅磷附產(chǎn)物，并不見得比原來(lái)的鹵素好到哪去。5.大量加入無(wú)機(jī)填充料（Filler），減少有機(jī)可燃物之比率以降低燃性如日立化成所新推出的封裝材料MCL-E-679F（G）中，即加入體積比60-80﹪小粒狀的無(wú)機(jī)填充料，但卻先對(duì)其做過(guò)特殊的表面處理（FICS），使與樹脂主構(gòu)體之間產(chǎn)生更好的親和力，且分散力也更好。3.4.GlassTransitionTemperature(Tg)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(不在IPC-4101/21中，但最重要)聚合物(即Ploymer，亦稱高分子材料或樹脂等)會(huì)因溫度的升降，而造成其物性的變化。當(dāng)其在常溫時(shí)，通常會(huì)呈現(xiàn)一種非結(jié)晶無(wú)定形態(tài)(Amorphous)之脆硬玻璃狀固體(此處之玻璃，是對(duì)組成不定各種物體之廣義解釋，并非常見狹義之透明玻璃)；但當(dāng)在高溫時(shí)卻將轉(zhuǎn)變成為一種如同橡膠狀的彈性固體(Elastomer)。這種由常溫“玻璃態(tài)”，轉(zhuǎn)變成物性明顯不同的高溫“橡膠態(tài)”過(guò)程中，其狹窄之溫變過(guò)度區(qū)域，特稱為“玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度”；可簡(jiǎn)寫成Tg，但應(yīng)讀成“TsofG”，以示其轉(zhuǎn)態(tài)的溫度并非只在某一溫度點(diǎn)上。此種狀態(tài)“轉(zhuǎn)換”的溫度帶雖非聚合物的熔點(diǎn)，但卻可明顯看出橡膠態(tài)的熱脹系數(shù)(CTE)要高于玻璃態(tài)的3或4倍。凡板材的Tg不夠高時(shí)，在高溫的強(qiáng)烈Z膨脹應(yīng)力下，可能會(huì)造成PTH孔銅壁的斷裂。現(xiàn)行FR4之平均Tg已可135℃，而CEM-1亦有110℃，且在板厚之降低與鍍銅品質(zhì)的改善下，斷孔的機(jī)率已比早先降低很多了。由眾多實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)可知，Tg較高的板材，其熱脹系數(shù)(CTE)較低，耐熱性(HeatResistanc