铜箔基板品质术语之诠释

铜箔基板品质术语之诠释
Part-I -- 4项最重要品质术语之诠释

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



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：

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/Qdu9_1.jpg)

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：

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/ve2H_2.jpg)

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。

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/0TUF_3.jpg)


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）∕√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。

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/bi4f_4.jpg)


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：

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/xB2S_5.jpg)


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

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/PZMf_6.jpg)

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。

附件为:IPC-4101/21规格总表