PCB覆铜板主要性能介绍及应用趋势

PCB覆铜板主要性能介绍及应用趋势

1. ivReliate Permitivity(εr)相对容电率或 Dielectric Constant(Dk) 介质常数:

Dielectric本身是名词,即“绝缘材料”或“介电物质”之意;故知“介质常數”本身是“名詞+名詞”所組成的名詞,是材料的一種常詞+名詞”所組成的名詞,是材料的一種常數. 原理說明: 此詞原指每\單位體積”的絕緣物質，在每一單位之“電位梯度”下，所能儲蓄“靜電能量”（Electrostatic Energy）的多寡而言。此詞尚另有較新的同義字“容電率”（Permittivity日文稱為誘電率），由字面上可體會到與電容（Capacitance）之間的關係與含義。當多層板絕緣板材之“容電率”較大時，即表示訊號線中的傳輸能量已有不少被蓄容在板材中，如此將造成“訊號完整性”（Signal Integrity）之品質不佳，與傳播速率（Propagation Velocity）的減慢。換言之即表示已有部分傳輸能量被不當浪費或容存在介質材料中了。是故絕緣材料的“介質常數”（或容電率）愈低者，其對訊號傳輸的品質才會更好。目前各種板材中以鐵氟龍（PTFE），在1 MHz頻率下所測得介質常數的2.5為最好，FR-4約為4.7。

上述介質常數（Dk）若在多層板訊號傳輸的場合中, 其訊號線層與大地層兩平行金屬板之間，夾有絕緣介質（即膠片之玻纖與環氧樹脂）時，在訊號傳輸工作中（也有很小的電流通過）將會出現一種電容器（Capacitor）的效應. 其電容量的多寡，與上下重疊之面積A（即訊號線寬與線長之乘積）及介質常數Dk成正比，而與其間的介質厚度d成反比。

從電容計算公式看來，原“介質常數”的說法並無不妥。但若用以表達板材之不良“極性”時，則不如“容電率”來得更為貼切。因而目前對此Dk，在正式規範中均已改稱為更標準說法的“相對電容率εr”了。注意ε是希臘字母Episolon，並非大寫的E.

事實上，絕緣板材之所以會出現這種不良的“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。由於其極性的存在，於是又產生一種電雙極式的“偶極矩”（Dipole Moment，例如純水25℃於Benzene中之數值即為1.36），進而造成平行金屬板間之介質材料，對靜電電荷產生“蓄或容”的負面效果，極性愈大時Dk也愈大，容蓄的靜電電荷也愈多。純水本身的Dk常高達75，故板材必須儘量避免吸水，才不致升高Dk而減緩了訊號的傳輸速度，以及對特性阻抗控制等電性品質。

應用詮釋: 上述“相對容電率”（即介質常數）太大時，所造成訊號傳播（輸）速率變慢的效果，可利用著名的Maxwell Equation加以說明：

Vp（傳播速率）＝C（光速）∕√εr（周遭介質之相對容電率）.此式若用在空氣之場合時（εr＝1），此即說明了空氣中的電波速率等於光速。但當一般多層板面上訊號線中傳輸“方波訊

號”時（可視為電磁波），須將FR-4板材與綠漆的εr（Dk）代入上式，其速率自然會比在空氣中慢了許多，且εr愈高時其速率會愈慢。正如同高速公路上若有大量污泥存在時，其車速之部份能量會被吸收，車速也會隨之變慢。還可換一種想像來加以說明，如在彈簧路面上跑步時，其速度自然不如正常路面來得快，原因當然還是部份能量被浪費在彈跳上了。由此可知板材的εr要儘量抑抵的重要性了，且還要在溫度變化中具有穩定性，方不致影響“時脈速率”不斷提高下的訊號品質

不過若專業生產電容器時，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。

Loss Tanget 損失正切∕Disspation Factor（Df）散失因素

原理說明: 此詞在資訊業與通信業最簡單直接了當的定義是“訊號線中已漏失（Loss）到絕緣板材中的能量，對尚存在（Stored）線中能量之比值”。 訊號線於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“實值”。所謂的Df，就是將虛值（ε”）比上實值（ε’），如此所得的比值正是“散失因素”的簡單原始定義。 當此詞Df用於訊號之高速傳輸（指數位邏輯領域）與高頻傳播（指RF射頻領域）等資訊與通訊業中，尚另有三個常見的同義字，如損失因素（Loss Factor）、介質損失（Dielectric Loss），以及 損失正切Loss Tangent（日文稱為損失正接）等三種不同說法的出現，甚至IC業者更簡稱為Loss而已，其實內涵並無不同。

世界上並無完全絕緣的材料存在，再強的絕緣介質只要在不斷提高測試電壓下，終究會出現打穿崩潰的結局。即使在很低的工作電壓下，訊號線中傳輸的能量也多少會漏往其所附著的介質材料中。正如同品質再好的耐火磚，也多少會散漏出一些熱量出來。

應用詮釋: 對高頻（High Frequency）訊號欲從板面往空中飛出而言，板材Df要愈低愈好，例如800MHz時最好不要超過0.01。否則將對射頻（RF）的通訊（信）產品具有不良影響。且頻率愈高時，板材的Df要愈小才行。正如同飛機要起飛時，其滑行的跑道一定要非常堅硬，才不致造成能量的無法發揮。高頻訊號傳輸之能量，工作中常會發生各種不當的損失，其一是往介質板材中漏失，稱為Dielectric Loss。其二是在導體中發熱的損失，稱為Conductor Loss。其三是形成電磁波往空氣中損失稱為Radiation Loss。前者可改用Df較低的板材製作高頻電路板，以減少損失。至於導體之損失，則可另以壓延銅箔或低稜線線銅箔，取代明顯柱狀結晶的粗糙E. D. Foil (Grade 1)，以因應不可避免的集膚效應（Skin Effect）。而輻射損失則需另加遮蔽（Shielding），並導之於“接地層”的零電位中，以消除可能的後患。一般行動電話手機板上，做為區隔用途的圍牆（Fence）根基(即鍍化鎳金之寬條)，其眾多接

地用的圍牆孔（Fence Hole），即可將組裝後金鐘罩所攔下的電磁波，消彌之於接地中，而不致於傷害到使用者的腦袋。 Flammability燃性

本詞實際上是指板材樹脂的“難燃性”（Inflammability）而言，重要規範與規格之來源有二，即(1)UL-94 and UL-796 (2)NEMA LI1-1989。常見之FR-4、FR-5等術語即出自NEMA之規範。為了大眾安全起見，電子產品的用料均須達到“難燃”或“抗燃” 的效果（即指火源消失後須具自熄Self-Distinguish的性質），以減少火災發生時的危險性，是產品品質以外的安全規定。許多不內行的業者所常用的廣告詞竟出現：“本公司產品品質均已符合UL的規定”，是一種笑話。

实验方法: 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吋X5吋（厚度视产品而不同），每次做5样，每样试烧两次。试烧用之本生灯高4吋，管口直径0.37吋，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吋之蓝焰，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吋的边宽以内，下缘距焰尖之落差为0.375吋。

试烧时将火焰置于之试样下约10± 0.5秒后，即移出火源，立即用码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。 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。 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﹝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。

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品质的改善下，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品质的不稳。

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：

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。

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 DMA系指Dynamic Mechanical Analysis (动态热机械分析法)，是检测升温中聚合物在“粘弹性变化”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。 抗撕强度Peel Strength

这是CNS的正确译词，而且早已行之有年。其典雅贴切足证前辈功力之高。可某些铜箔基板业者，按日文字面直接说成\剥离强度 \，不但信雅达欠周，且欲待呈现之原义也尽失.

此词是指铜箔对基材板的附着力或固着力而言，常以每吋宽度铜箔垂直撕起所需的力量做为表达单位。这当然不仅量测原板材的到货(As Received)情形，也还要仿真电路板制程的高温环境，热应力，湿制程化学槽液等的各种折磨，以及耐溶剂的考验，然后检视其铜箔附着力是否发生劣化。之所以如此，实乃因线路愈来愈细密时，其附着力的稳定性(Consistency)将益形重要，而并非原板材铜箔附着力平均值很高就算完事。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0q02.html