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銅箔基板品質術語之詮釋(三)

更新時間:2016-12-14 10:05:40點擊次數: 文章來源:深北電子

銅箔基板品質術語之詮釋(三)

                  抗撕強度Peel Strength(次重要)

              這是CNS的正確譯詞,而且早已行之有年。其典雅貼切足證前輩功力之高??上承┿~箔基板業者們不明就里,竟按日文字面直接說成"剝離強度 ",不但詞意欠周,且欲待呈現之原義也盡失,雖不至背道而馳卻也頗乏神似而殊為遺憾。

              此詞是指銅箔對基材板的附著力或固著力而言,常以每吋寬度銅箔垂直撕起所需的力量做為表達單位。這當然不僅量測原板材的到貨(As  Received)情形,也還要仿真電路板制程的高溫環境,熱應力,濕制程化學槽液等的各種折磨,以及耐溶劑的考驗,然后檢視其銅箔附著力是否發生劣化。之所以如此,實乃因線路愈來愈細密時,其附著力的穩定性(Consistency)將越顯重要,而并非原板材銅箔附著力平均值很高就算完事。


              PC-4101/21就FR-4板材之此號規格單中,對該類基板之抗撕強度已劃分成三項試驗及允收規格,即:

              A. 厚度17um以上之低棱線銅箔(Low Profile),其測值無論厚板(指0.78mm或31mil以上)或薄板(指0.78mm或31 mil 以下)均需超過70㎏/m(或3.938磅/吋)之規格。

              B.標準棱線抓地力較強之銅箔(即IPC-CF-150之Grade 1)又有三種情況(試驗方法均按IPC-TM-650之2.4.8節之規定): 
               
              (B-1):熱應力試驗后(288℃漂錫10秒鐘);薄板者須超過80㎏/m(或4.47磅/吋),厚板者須超過105㎏/m(或5.87磅/吋)。

              (B-2):于125℃高溫中;薄板與厚板均須超過70㎏/m(約4 lb/in)。

              (B-3):經濕制程考驗后;薄板須超過55㎏/m(或3.08 lb/in)厚板須超過80㎏/m(或4.47 lb/in)。

              C.其它銅箔者,其抗撕強度之允收規格則須供需雙方之同意。

              D.試驗頻度:按IPC-4101表5之規定,上述B-1項品質出貨時須逐批試驗,B-2項則三個月驗一次,而B-3項也是三個月驗一次。一般業者經常對抗撕強度隨便說說的8磅,系指早期美軍規范(MIL-P-13949)舊“規格單4D”中,對厚度1oz之標準銅箔之 8 lb/in 而言,立論十分松散不足為訓。

              2. Volume Resistivity 體積電阻率(不重要)

              系在量測板材本身的絕緣品質如何,是以“電阻值”為其量化標準。例如在各種DC高電壓下,測試兩通孔間板材的電阻值,即為絕緣品質的一種量測法。由于板材試驗前的情況各異,試驗中周遭環境也不同,故對本術語與下述之“表面電阻率” 在數據都會造成很大的變化。

              例如軍規MIL-P-13949要求20mil以上的FR-4厚板材,執行本試驗前須在 50℃/10﹪RH 與 25℃/90﹪RH 兩種環境之間,先進行往返10次的變換,然后才在第10次 25℃/90﹪RH 之后進行本試驗。至于原在20mil以上的FR-4厚板材,則另要求在C-96/35/90(ASTM表示法,即35℃,90﹪RH,放置96小時)之環境中先行適況處理,且另外還要求在125℃的高溫中,量測FR-4的電阻率讀值。

              IPC-4101在其表5中對此項基板品質項目,要求12個月才測一次(由此可見本項并不重要)。每次取6個樣片,須按IPC-TM-650手冊之 2.5.17.1測試法進行實做,而及格標準則另按各單獨板材之特定規格單。至于最常見FR-4之厚板(指0.78mm或30.4mil以上)經吸濕后,其讀值仍須在106Megohm-cm以上,高溫中試驗之及格標準亦應在103Megohm-cm以上。

              其實此種 "體積電阻率"也就是所謂的"比絕緣"(Specific Insulation)值,系指板材在三度空間各邊長1cm的塊狀絕緣體上,分別自其兩對面所測得電阻值大小之謂也。因目前基材板的技術已非常進步,此種基本絕緣品質想要不及格還不太容易呢,似無必要詳加追究。

              3. Surface Resistivity 表面電阻率(不重要)

              系量測單一板面上,相鄰10mil兩導體間之表面電阻率。不過當板材的事先適況處理與試驗環境不同時,其之測值亦有很大的變化。本試驗前各種板材所應執行的10次適況前處理,則與前項體積電阻率之做法相同,而125℃的高溫中試驗也按前項實施。

              IPC-4101亦將此項目收納在其表5中,測試方法與12個月測試之頻度,也與前項完全相同。早年樹脂的生產技術自然不如目前遠甚,時常擔心樹脂或玻纖布中夾雜有離子性的殘渣,一旦如此將造成板材絕緣品質的劣化,是故早年的老舊規范中,都加設了上述兩項絕緣品質之"電阻率"規格。

              然而基材板中若要12個月才測一次的品質項目,又能對每天大量出貨的PCB工業有何幫助?有什么把關的必要?真是天曉得! 
            想必此等可有可無不關痛癢的陋規,將來遲早會被取消而成為歷史。

               4. Moisture Absorption 吸濕率(又名Water Absorption)(次重要)

              此項品質系訂定于IPC-4101之表5,須每三個月取4個樣板去做試驗。又按IPC-4101/21對FR-4基板的規定,厚度低于 0.78mm(30.5mil)的薄板要求吸濕率不可超過0.80﹪;30.5mil以上的厚板則須低于0.35﹪。

            至于測試方法,則應按IPC-TM-650手冊之2.6.2.1方法去進行。其做法是裁取2吋X2吋的樣板,板邊四面都要用400號砂紙小心磨平,再將兩面銅箔蝕刻掉,洗凈后放置在105℃-110℃烤箱中烘烤1小時,取出后于干燥皿中冷到室溫,再精稱其重量到0.1mg。之后的吸水實驗也很簡單,即將樣板浸在23℃±1℃的蒸餾水中24小時。取出后立即擦干并立即精秤即可。

              4.1原理詮釋:

              理論上純水是不導電的,若板材吸水后應不致造成絕緣品質的劣化,或出現漏電的缺失。當然若所吸到的是不純的水,自然會影響到板材的絕緣品質。但讀者們卻不可忘記,水分子是一種"極性"頗強的化合物,其"相對容電率"(εr.即老式說法的介質常數Dk)高達75,故板材吸水后所制作的多層板傳輸線,必然會造成訊號傳播速率(Vp)的降低,原理從Maxwell  Equation:Vp=C/ √ εr中可得其詳。(Vp:訊號之傳播速度、C:光速、εr:訊號線周圍介質之相對容電率)

              其次是板材所可能吸到水份,當然不可能是純水,何況鉆孔鍍孔以及眾多的濕式流程,怎么可能會不吸入離子性漏電的物質?是故有了水后“玻纖絲陽極性漏電”之缺失(CAF;Conductive Anodic Filament)就難免不會發生了。而且吸了水的板材遇到瞬間高溫焊接或噴钖時,必然會產生爆板的惡果,這就是對基材板嚴格要求吸水率夠低的三種主要原因。

              目前由于樹脂配方技術與膠片含浸工程的長足進步,一般商品板材之吸水率都遠于規格值的數十倍以下,換句話說吸水率早已不是問題了,除非規格值再嚴加降低,或改用壓力鍋試驗(PCT;Pressure Cooker Test)更嚴酷的做法,才會面臨挑戰。

               5. Dielectric Breakdown介質崩潰(次重要)

              系刻意不斷提高AC測試之電壓至50KV以上,以觀察厚板材中相距1吋之兩插孔電極,其崩潰打穿的起碼電壓值為何。按IPC-4101表5的規定,此項品質亦系三個月測一次,每次取三個樣片。至于IPC-4101/21對FR-4原板之及格標準,則另訂定下限為40KV。

              其試驗法系按IPC-TM-650之2.5.6 B法(1986.5)去進行。所取無銅箔之樣板其大小為3吋 
X2吋(厚度在30.5mil以上),沿其板長方向的中心線上,鉆出相距1吋而直徑各為188mil的穿孔兩個,并分別插入兩錐狀電極(其一為高電壓極,其二為接地極),然后連以電纜一同浸于絕緣油槽中(如Shell Dial 
 Ax即可)。再按上表以每秒調升500V之方式逐漸升高測試電壓,仔細觀察所發生之崩潰的情形,且記錄其三個數據及求平均值。但若并未出現崩潰時,即以其可調之最高電壓值為紀錄。

              6.Flexural Strength 抗撓強度(又稱Flexural Modulus 抗撓模數)(不重要)

              6.1詮釋

              聚是指基材板所在承受多少重量之下,而尚不致折斷的機械強度。也就是說做成電路板后,可以承載多少組件而不變形的能力。換言之就是在測板材的硬挺性(Stiffness or Rigidity),口語上似可說成“抗彎強度”或“抗彎能力”。板材若在本項之品質良好時,其板彎板翹也就低了。

              此“抗撓強度”的試驗方法,可按IPC-TM-650之2.4.4法(1994.12)去做,該法指出本項目是針對厚板而做,而厚板與薄板的分界卻是 0.51mm(20mil),與現行分法(1997.12)的0.78mm(31mil)又有所不同。按品質管理的精神,當然是“后來居上”取代前者,故知此種基板硬挺性品質是針對31mil以上的厚板而言。

              6.2做法

              實際做法很簡單,是將板材自底面以“兩桿”支撐,再自頂面的中央以“固定寬度的重頭(Crosshead)”用力向下壓。該壓試機“之支撐跨距(Span)與下壓速度(Speed of Testing)等數據,以及對應試驗板在長寬厚等尺度方面的關系,均按下表之規定:

              上述試驗機之支撐桿上緣與下壓重頭之下緣(Nose),均須呈現圓弧表面,樣板外緣亦須保持平整,不可出現缺口撕口等。試驗要一直用力壓下直到樣板斷裂為止。所得數據以“磅”或“公斤”為單位,再按樣板面積換算成“壓力強度”的PSI或Kg/M2,做為允收規格。IPC-4101/21中即已列入現行的允收規格長方向之下限為4.23X107 kg/m2,橫方向之下限為3.52X107 kg/m2。

              7.Flexural Strength at Elevalted Temperature 高溫中抗撓強度(次重要)

              系為已搭載零件的板子,在高溫焊接中仿真其抗撓強度如何的試驗。實驗可按IPC-TM-650之2.4.4.1規定去做,是將樣板放在已有夾具的特定烤箱內,去進行壓試。該烤箱須能控溫在 3℃以內,不同板材之溫度條件另有表格規定。所有做法與前項常溫者類同。

              此等板材高溫“硬挺性”之品質好壞,對表面貼裝(SMT)各種零件之焊點強度甚具影響力。目前各種小型手執電子機器的流行,連薄板也要考慮到本項品質了。不過由于樹脂在Tg方面的提高,與玻纖布的改善(如Asahi-Scwebel專利壓扁分散的玻纖布),使得本項品質也改善極多。

              8. Arc Resistance 耐電弧性(不重要)

              是對無銅箔之清潔厚板面上,以高電壓低電流(0.1A以下)的兩個鎢金屬平面之電極測頭,在0.25 的跨距下,當開動測試機時即產生空中之電弧,不久即會自動消失于板材中。此時板材即將有電弧之軌跡(Tracksing)出現,于是記錄下空中電弧消失前所經歷的“秒數”,即為“耐電弧”的數據。

            21號規格單要求應在60秒以上。

              9.Thermal Stress 熱應力(次重要)

              系取2 inX2 in各種厚度之板材,有銅箔與無銅箔者分別試驗,也就是在288℃的錫池表面漂浮10秒鐘。洗凈之后在正常視力下(左右眼各為2.0/2.0)檢查板面之外觀,或另用4倍與10倍放大鏡觀察板面,是否出現炭化(Charing)、表面污染、樹脂損傷、樹脂變軟、爆板分層、起泡、織紋顯露、瑕疵擴大、白點、白斑與坑陷等缺點。至于有銅箔者則只檢查是否起泡或分層即可,此項品質與樹脂之Tg及板材吸水率有關。目視標準可參考IPC-A-600F之各種圖標。

              10.Dielectric Strength 介質強度(次重要)

              本詞又稱為Electric Strength抗電強度,系量測板材在Z方向抵抗高電壓的能力。本項品質之衡量,是將已發生打穿(Failure)之直流電壓實測數據,除以板厚所得數據之volt/mil或volt/mm為單位。此項試驗只針對薄板(31mil以下)而做,實驗須按IPC-TM-650之2.5.6.2法(1997.8)去進行。21號規格單要求,及格標準之下限為2.90X104 V/mm。

              11. Comparative Tracking Index 比較性漏電指數

              此CTI是針對一般家電用品,或其它高電壓(110V,220V)電器品,所用單面基材板之品質項目。因不屬于計算機信息或通訊之領域,故IPC- 4101并未將之納入,反倒是國際電工委員會(IEC)已收納于其IEC-STD-112之中(電路板信息雜志曾將該份Publication  112于53期中全文翻譯,讀者可參考之)。系仿真完工電路板在使用環境中遭到污染,致使板面線路間距處出現漏電短路,且發熱燒焦的情形。是比較各種板材能否耐得惡劣環境的侵犯,能否減少危險機率之試驗,也就是在最壞的打算下,看看電路板之板材能否過關的試驗。

              其做法是在裸基材的板面上,在相距4mm之兩點,以60度的方向在100g的力量下刺入板材°電極尖端之錐度30o,刺定后在兩點之間不斷滴下 0.1%的氯化銨溶液,每30秒1滴,并通入高電壓(100-600V)之交流電(AC)進行試驗??上仍囉?00V并使出現1安培的電流。因板面上已有氯化銨溶液,故通電中會出現電阻而發熱,逐使溶液被蒸發走掉,于是又續滴下溶液直到50滴時,看看板材本身會不會漏電。一旦當絕緣板材出現0.1A的漏電并超過0.5秒以上者,即紀錄為故障(Failure,此時蜂鳴器會發出叫聲),測試儀器也會自動記錄下發生故障時已滴下的總滴數。

              板材CTI的品質是指50滴仍未故障者,其所呈現的外加電壓數值。若上述300V可順利過關時,還可再增加電壓為400V,500V,或600V等,直到出現故障前之最高電壓,即為該板材的CTI數據。一般規定FR-4及格標準是200-400V,而CEM-1也是200-400V,但日本業界有時會要求到800V之嚴格標準。


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