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1.前言:
有關銅箔基板(Copper Claded Laminates,簡稱CCL)的重要成文國際規范,早期以美國軍規MIL-S-13949H(1993)馬首是瞻,直至1998.11.15后才被一向視為配角的IPC-4101所取代。原因是業界進步太快,而美軍規范一向保守謹慎,來不及跟上HDI商品化的實質進步,于是只好退守軍品的嚴格領域。至于為數龐大的商業電子產品,就另行遵循靈活新穎的IPC商用規范了。
IPC-4101(1993.12)之硬質銅箔基板規范,其21號規格單為最常見FR-4板材之品質詳細規格,共列有13種品質項目。其中有的較為淺顯者,幾乎一看就懂無需贅言,如銅箔之抗撕強度 等。但有的不但字面費解難以查考,且經常是同一術語卻有數種不同說法,似是而非撲朔迷離,每每令人困惑而不知所從。然久而久之也就見怪不怪麻木不仁了,只要按方法去檢驗,或按規格去允收即可,管那許多原理原因做什么。
至于那些項目為何而設?影響下游如何?每項是否一定要做?也就懶得再去追究,甚至連真正定義原理也多半似懂非懂,反正人云亦云以訛傳訛?;砘Hブ灰世噬峡?,就顯得學問奇大無比經驗爐火純青,日久積非成是之余,一旦有人以正確說法稱呼之,難免不遭白眼視為異類。鳴呼!君不見"Long time no see 與 no can do" 早已成了漂亮的英文,說不定那天 "People mountain people sea "也會大流其行呢。但不管眾口能否鑠金,是非真理總還是要講個清楚說得明白才不失學術良心,做人做事也才有格,這應與學歷或官位扯不上關系。以下即按IPC-4101后列規格單(Specification Sheet)中的順序對各術語試加詮釋,尚盼高明指正。
2.IPC-4101/21規格總表
PC-4101/21規格總表
3.最重要的品質術語詮釋
3.1.Reliative Permitivity(εr)相對容電率 或 Dielectric Constant(Dk) 介質常數(最重要)
3.1.1錯誤說法
此詞經常被不明原理者,僅就其“字面”似是而非的誤稱為“介電常數”!?有時連一些不夠嚴謹的字典也常犯錯。事實上,Dielectric本身是名詞,即“絕緣材料”或“介電物質”之意;故知“介質常數”本身是“名詞+名詞”所組成的名詞,是材料的一種常數。而Dielectric此字并非形容詞的“介電”,用以形容“常數”而得到的“介電常數”,似乎是在說“介電性質的常數”。請問這倒底指的是什么?天天掛在嘴上的人有誰曾用心想過?人之通病多半是想當然耳!
3.1.2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。猛看之下,一時并不容易聽懂。
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)之間的關系與含義。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。
3.1.3電容詮釋
上述介質常數(Dk)若在多層板訊號傳輸的場合中,還可以電容的觀點詳加詮釋如下:
由上左圖可知MLB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,其公式如下:
由式中可知其電容量的多寡,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”的說法并無不妥。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,在正式規范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,并非大寫的E,許多半桶水者經常寫錯也念錯。
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。由于其極性的存在,于是又產生一種電雙極式的“偶極矩”(Dipole Moment,例如純水25℃于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,故板材必須盡量避免吸水,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。
業界重要的銅箔基板(CCL)規范,如早期的MIL-S-13949H(1993),現行的IPC-4101(1997)以及IEC-326等,均已改稱為Permittivity而不再說成Dk了。然而國內業者知道εr的人并不多,甚至連原來的Dk也多誤稱為“介電常數”,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,使得后進者也糊里胡涂不得不跟著錯下去了。
3.1.4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于光速。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。還可換一種想象來加以說明,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要盡量抑抵的重要性了,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。
3.1.5測試方法
IPC-4101對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去測Air的電容值(C1),及測Dow Corning 200 Fluid油的電容值(C2),再測第一樣板(3.2inX 3.2inX 板層)的電容值(C3),之后又測第二樣板的電容值(C4),即可利用其公式: