覆銅箔層壓板相對介電常數的檢測試驗及其不確定度分析

鄭俊欽

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覆銅箔層壓板相對介電常數的檢測試驗及其不確定度分析

鄭俊欽

福建省電子產品監督檢驗所

該文介紹了覆銅箔層壓板相對介電常數檢測試驗的原理、過程和相關注意事項，并用實例數據對覆銅箔層壓板相對介電常數的不確定度進行分析。

覆銅箔層壓板 介電常數 相對介電常數 不確定度

隨著電子信息技術的飛速發展，制作印制電路板的基材覆銅箔層壓板的介電常數受到極大的關注。介電常數代表了電介質的極化程度，也就是對電荷的束縛能力，介電常數越大，對電荷的束縛能力越強。不同電子信息產品，對印制電路板介電性能的要求不盡相同。例如，為提高大型電子計算機中印制電路板的導線信號傳輸速度及通訊電子產品的高頻電路，都要求印制電路板的基材覆銅箔層壓板具有較低的介電常數。因此，準確測量覆銅箔層壓板的介電常數，就顯得尤其重要。本文介紹一種用標準電容替代試樣電容測量覆銅箔層壓板介電常數的方法（簡稱電容替代法）。

1 測量原理

所謂介電常數, 是用于衡量絕緣體儲存電荷的能力，它是以兩塊平行放置的金屬板作為電極，之間全部充以絕緣材料作為介質時構成的平行板電容器，在不考慮其邊緣效應時，其電容量為：

式中：ε——介電常數； Cx—— 充有絕緣材料時平行板電容器的電極電容；S —— 平行板電容器的極板面積；H —— 平行板電容器的極板間距。

考察一種電介質的介電常數，通常是要看相對介電常數。所謂相對介電常數，就是電容器的電極之間及電極周圍的空間全部充以絕緣材料時，其電容Cx與同樣電極構形的真空電容器C0之比：

式中：εr——相對介電常數；Cx——充有絕緣材料時電容器的電極電容；C0——真空中電容器的電極電容。

由于在標準大氣壓下，干燥空氣的相對介電常數等于1.00053，因此用這種電極構形在空氣中的電容來代替C0測量相對電容率εr時，也有足夠的精確度。

在覆銅箔層壓板相對介電常數的檢測試驗過程中，由于試樣電容Cx比較小，此時電極的邊緣效應，測量用的導線、測量系統等引起的分布電容已不可忽略，這些因素將導致系統產生較大的誤差。為了消除測試過程中的系統誤差，可以采用電容替代法。

電容替代法就是在測量系統中并接一個標準電容替代試樣電容進行檢測的方法，其測量原理示意圖如圖1所示。C測為測微計電極之間構成的電容，C分為測量引線及測量系統引起的分布電容之和，C標為外接標準電容。

圖1 測量原理示意圖

將制作的試樣電容放入測微計電極之內，調節測微計電極間距，使其與試樣電容緊密接觸，試樣電容厚度為H，此時試樣電容Cx和邊緣效應電容C邊1并接組成C測，測出此時系統的標定電容CA。

CA= Cx+ C邊1+ C分1+C標（3）

式中：

Cx—— 電極間以絕緣材料為介質的試樣電容器電容。該電容器面積為S，電極間距為介質厚度h。

C邊1—— 邊緣效應電容。電極間以空氣作為介質，該電容器電極面積為（S′－S），電極間距為試樣電容厚度H，S′為測微計電極面積。

C分1—— 系統分布電容。

C標—— 系統并接的標準電容。

取出試樣電容，保持測微計電極間距不變（即為試樣電容厚度H），并接標準電容C標不變，此時C測由C0H和C邊2并接組成，測出此時系統的標定電容CB。

CB= C0H+ C邊2+ C分2+ C標（4）

C0H—— 電極間以空氣為介質，電極面積為S，電極間距為H的電容器的電容。

保持測微計電極間距不變，改變并接的標準電容器，使得當系統的標定電容CC和CA相等時，系統并接電容為C標+ΔC 。

CC= C0H+ C邊3+ C分3+（C標+ΔC） （5）

由于在檢測過程中，電極間距為一定值H，系統狀態始終保持不變，則有

C邊1= C邊2= C邊3（6）

C分1= C分2= C分3（7）

由⑸－⑷，得：

CB=ΔC = CA－CB（8）

則有： Cx=ΔC + C0H= CA－CB+ C0H（9）

將（9）代入（2）中，得：

2 試樣的制作

從被試覆銅箔層壓板上切取圓形試樣，其直徑為50mm。

將試樣銅箔，采用噴淋法，噴射密度為1.32～1.41g/cm3的三氯化鐵水溶液進行蝕刻，將銅箔全部蝕刻掉。水溶液溫度不超過37℃。將蝕刻后試樣立即用電阻率不小于10Ω·m的流動冷水沖洗5min，用10%草酸溶液浸泡5min，再置于電阻率不小于10Ω·m的流動冷水沖洗，直到去掉表面污垢。

將沖洗干凈的試樣用電阻率不小于1000Ω·m的冷水水洗3次（每次要換清水），每次2min。然后擦盡試樣表面水份，將其放入溫度為55℃±2℃的烘箱中，保持4h，取出后放入干燥器中備用。

3 預處理

試樣的預處理是測量覆銅箔層壓板相對介電常數的關鍵條件之一。在檢測試驗開始前，先將試樣置于溫度40℃±2℃，相對濕度90％～95％的環境條件下，放置96±1h。立即置于控制恢復條件中恢復，時間為90±15min?？刂频幕謴蜅l件為實際實驗室溫度±1℃，但溫度要在15℃～35℃范圍內，相對濕度73％～77％，氣壓86 kPa～106kPa。

4 檢測試驗

檢測試驗應在試樣恢復后，在控制恢復條件下，按下列步驟立即進行：

（1）測量試樣的厚度h、試樣的直徑D。

（2）試樣電容的的制作：用極少量的硅酯將金屬箔貼在試樣上。金屬箔可以是純錫或鉛，也可以是這些金屬的合金，其厚度最大為100μm。測量試樣電容的厚度H。

（3）將試樣電容放入測微計內，調節測微計電極與其緊密接觸，注意并接電容C標不宜太大，以免引起較大測量誤差。測出此時系統的標定電容CA，測量頻率1MHz。取出試樣電容，保持測微計電極間距不變，測出此時系統的標定電容CB。

5 不確定度分析

5.1 數學模型

由式（10）得：

式中：h —— 試樣厚度；D —— 試樣直徑；ε0—— 真空介電常數。

5.2 實驗數據（見表1）

表1 實驗數據一覽表

5.3 方差和傳播系數

式中：

其中，1、2、3、4、5分別代表D、h、H、CA、CB標準不確定度。

5.4 評定分量標準不確定度

根據本實驗實際情況，采用A類和B類評定方法。

表2 標準不確定度一覽表

5.4.1試樣直徑給出的不確定度分量1

試樣直徑D，由于重復性測量導致的標準不確定度1A為A類標準不確定度。

1A= 9

根據校準證書，IP54數字顯示游標卡尺的擴展不確定度U=0.01mm(k=2)，估計其標準不確定度的相對標準不確定度為20%。

得1B= 5；1B= 12

3A= 0.76，3A= 9

根據校準證書，外徑千分尺的擴展不確定度95=0.6，自由度v=19，包含因子k95=2.09；故3= 0.81；3= 11。

根據校準證書，4284A數字電橋的擴展不確定度95rel=0.05%,置信概率p=95%，自由度v=50。

查表得95=95(50)=2.01，4= 0.024（p）。

5.4.5取出試樣電容后系統測出的標定電容CB給出的不確定度分量5

根據校準證書，4284A數字電橋的擴展不確定度95rel=0.05%，置信概率p=95%，自由度v=50。

查表得95=1.960，5= 0.016（p）。

5.5 合成標準不確定度

5.6 有效自由度的計算及包含因子的確定

5.7 擴展不確定度

[1] GB/T 1409—2006, 測量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻下電容率和介質損耗因素的推薦方法[S].

[2] JJF1059—1999, 測量不確定度評定與表示[S].