覆铜箔层压板相对介电常数的检测试验及其不确定度分析

郑俊钦



覆铜箔层压板相对介电常数的检测试验及其不确定度分析

郑俊钦

福建省电子产品监督检验所

该文介绍了覆铜箔层压板相对介电常数检测试验的原理、过程和相关注意事项，并用实例数据对覆铜箔层压板相对介电常数的不确定度进行分析。

覆铜箔层压板 介电常数 相对介电常数 不确定度

随着电子信息技术的飞速发展，制作印制电路板的基材覆铜箔层压板的介电常数受到极大的关注。介电常数代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强。不同电子信息产品，对印制电路板介电性能的要求不尽相同。例如，为提高大型电子计算机中印制电路板的导线信号传输速度及通讯电子产品的高频电路，都要求印制电路板的基材覆铜箔层压板具有较低的介电常数。因此，准确测量覆铜箔层压板的介电常数，就显得尤其重要。本文介绍一种用标准电容替代试样电容测量覆铜箔层压板介电常数的方法（简称电容替代法）。

1 测量原理

所谓介电常数, 是用于衡量绝缘体储存电荷的能力，它是以两块平行放置的金属板作为电极，之间全部充以绝缘材料作为介质时构成的平行板电容器，在不考虑其边缘效应时，其电容量为：

式中：ε——介电常数； Cx—— 充有绝缘材料时平行板电容器的电极电容；S —— 平行板电容器的极板面积；H —— 平行板电容器的极板间距。

考察一种电介质的介电常数，通常是要看相对介电常数。所谓相对介电常数，就是电容器的电极之间及电极周围的空间全部充以绝缘材料时，其电容Cx与同样电极构形的真空电容器C0之比：

式中：εr——相对介电常数；Cx——充有绝缘材料时电容器的电极电容；C0——真空中电容器的电极电容。

由于在标准大气压下，干燥空气的相对介电常数等于1.00053，因此用这种电极构形在空气中的电容来代替C0测量相对电容率εr时，也有足够的精确度。

在覆铜箔层压板相对介电常数的检测试验过程中，由于试样电容Cx比较小，此时电极的边缘效应，测量用的导线、测量系统等引起的分布电容已不可忽略，这些因素将导致系统产生较大的误差。为了消除测试过程中的系统误差，可以采用电容替代法。

电容替代法就是在测量系统中并接一个标准电容替代试样电容进行检测的方法，其测量原理示意图如图1所示。C测为测微计电极之间构成的电容，C分为测量引线及测量系统引起的分布电容之和，C标为外接标准电容。

图1 测量原理示意图

将制作的试样电容放入测微计电极之内，调节测微计电极间距，使其与试样电容紧密接触，试样电容厚度为H，此时试样电容Cx和边缘效应电容C边1并接组成C测，测出此时系统的标定电容CA。

CA= Cx+ C边1+ C分1+C标（3）

式中：

Cx—— 电极间以绝缘材料为介质的试样电容器电容。该电容器面积为S，电极间距为介质厚度h。

C边1—— 边缘效应电容。电极间以空气作为介质，该电容器电极面积为（S′－S），电极间距为试样电容厚度H，S′为测微计电极面积。

C分1—— 系统分布电容。

C标—— 系统并接的标准电容。

取出试样电容，保持测微计电极间距不变（即为试样电容厚度H），并接标准电容C标不变，此时C测由C0H和C边2并接组成，测出此时系统的标定电容CB。

CB= C0H+ C边2+ C分2+ C标（4）

C0H—— 电极间以空气为介质，电极面积为S，电极间距为H的电容器的电容。

保持测微计电极间距不变，改变并接的标准电容器，使得当系统的标定电容CC和CA相等时，系统并接电容为C标+ΔC 。

CC= C0H+ C边3+ C分3+（C标+ΔC） （5）

由于在检测过程中，电极间距为一定值H，系统状态始终保持不变，则有

C边1= C边2= C边3（6）

C分1= C分2= C分3（7）

由⑸－⑷，得：

CB=ΔC = CA－CB（8）

则有： Cx=ΔC + C0H= CA－CB+ C0H（9）

将（9）代入（2）中，得：

2 试样的制作

从被试覆铜箔层压板上切取圆形试样，其直径为50mm。

将试样铜箔，采用喷淋法，喷射密度为1.32～1.41g/cm3的三氯化铁水溶液进行蚀刻，将铜箔全部蚀刻掉。水溶液温度不超过37℃。将蚀刻后试样立即用电阻率不小于10Ω·m的流动冷水冲洗5min，用10%草酸溶液浸泡5min，再置于电阻率不小于10Ω·m的流动冷水冲洗，直到去掉表面污垢。

将冲洗干净的试样用电阻率不小于1000Ω·m的冷水水洗3次（每次要换清水），每次2min。然后擦尽试样表面水份，将其放入温度为55℃±2℃的烘箱中，保持4h，取出后放入干燥器中备用。

3 预处理

试样的预处理是测量覆铜箔层压板相对介电常数的关键条件之一。在检测试验开始前，先将试样置于温度40℃±2℃，相对湿度90％～95％的环境条件下，放置96±1h。立即置于控制恢复条件中恢复，时间为90±15min。控制的恢复条件为实际实验室温度±1℃，但温度要在15℃～35℃范围内，相对湿度73％～77％，气压86 kPa～106kPa。

4 检测试验

检测试验应在试样恢复后，在控制恢复条件下，按下列步骤立即进行：

（1）测量试样的厚度h、试样的直径D。

（2）试样电容的的制作：用极少量的硅酯将金属箔贴在试样上。金属箔可以是纯锡或铅，也可以是这些金属的合金，其厚度最大为100μm。测量试样电容的厚度H。

（3）将试样电容放入测微计内，调节测微计电极与其紧密接触，注意并接电容C标不宜太大，以免引起较大测量误差。测出此时系统的标定电容CA，测量频率1MHz。取出试样电容，保持测微计电极间距不变，测出此时系统的标定电容CB。

5 不确定度分析

5.1 数学模型

由式（10）得：

式中：h —— 试样厚度；D —— 试样直径；ε0—— 真空介电常数。

5.2 实验数据（见表1）

表1 实验数据一览表

5.3 方差和传播系数

式中：

其中，1、2、3、4、5分别代表D、h、H、CA、CB标准不确定度。

5.4 评定分量标准不确定度

根据本实验实际情况，采用A类和B类评定方法。

表2 标准不确定度一览表

5.4.1试样直径给出的不确定度分量1

试样直径D，由于重复性测量导致的标准不确定度1A为A类标准不确定度。

1A= 9

根据校准证书，IP54数字显示游标卡尺的扩展不确定度U=0.01mm(k=2)，估计其标准不确定度的相对标准不确定度为20%。

得1B= 5；1B= 12

3A= 0.76，3A= 9

根据校准证书，外径千分尺的扩展不确定度95=0.6，自由度v=19，包含因子k95=2.09；故3= 0.81；3= 11。

根据校准证书，4284A数字电桥的扩展不确定度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取出试样电容后系统测出的标定电容CB给出的不确定度分量5

根据校准证书，4284A数字电桥的扩展不确定度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 合成标准不确定度

5.6 有效自由度的计算及包含因子的确定

5.7 扩展不确定度

[1] GB/T 1409—2006, 测量电气绝缘材料在工频、音频、高频下电容率和介质损耗因素的推荐方法[S].

[2] JJF1059—1999, 测量不确定度评定与表示[S].