確定電路材料Dk和Df的測(cè)試方法

確定電路材料的Dk（介電常數(shù)，εr）和Df（損耗因數(shù)，Tanδ）的測(cè)試方法多種多樣，比如IPC有12種確定材料Dk的測(cè)試方法，行業(yè)組織、大學(xué)或企業(yè)也有各自的測(cè)試方法。我有一本關(guān)于微波材料特性的書籍中介紹了80多種評(píng)估電路材料Dk和Df的測(cè)試方法。歸根結(jié)底，沒有一種測(cè)試方法是完美的，工程師應(yīng)該采用最能呈現(xiàn)出其產(chǎn)品電路形式的測(cè)試方法。本文將概述電路PCB材料的測(cè)試方法，以及介紹一些常用的確定Dk和Df的測(cè)試方法。

材料測(cè)試方法

測(cè)試高頻電路材料的方法總的可以分為基于原材料測(cè)試方法和基于電路的測(cè)試方法兩大類?；谠牧蠝y(cè)試方法通常使用夾具來(lái)評(píng)估介質(zhì)原材料特性。這類測(cè)試方法僅僅評(píng)估原材料的特性，而不包含電路加工變量?；陔娐返臏y(cè)試方法利用電路載體，根據(jù)測(cè)試的電路性能提取得到Dk（有時(shí)也提取Df）。由于基于材料的測(cè)試方法的精度取決于夾具變量，而基于電路的測(cè)試方法取決于電路加工的變量，因此，通過這兩種不同類型測(cè)試方法得到的Dk/Df值可能并不相同。

同時(shí)，測(cè)試方法將根據(jù)電場(chǎng)朝向的不同得到不同方向維度的材料的Dk/Df值。有些測(cè)試方法測(cè)試Z軸（厚度軸）的Dk/Df值，而有些測(cè)試方法則是X-Y平面的Dk/Df值。PCB行業(yè)中使用的大多數(shù)電路材料都是各向異性的，即在每個(gè)方向維度上的Dk/Df都是不同的。因此，如果使用兩種不同的測(cè)試方法測(cè)試同一個(gè)材料樣品，可能獲得不同的Dk值，但這兩個(gè)值都是正確的。如果材料是各向異性的，在測(cè)試相同材料時(shí)，一種方法評(píng)估的是材料的Z軸的Dk值，而另一種方法評(píng)估X-Y平面的Dk值，因此，兩種不同測(cè)試方法會(huì)測(cè)得不同的Dk值。

測(cè)試方法也需考慮的其他因素包括如材料色散、銅箔表面粗糙度以及傳輸/反射技術(shù)的使用等。所有材料都有色散，這意味著Dk將隨頻率的變化而變化。因此，如果對(duì)同一材料使用相同的測(cè)試方法，但測(cè)試頻率不同，Dk值也會(huì)存在差異?？偟恼f來(lái)，隨著頻率的增加，Dk值將略微減小。

無(wú)論原介質(zhì)材料Dk值大小，銅箔表面粗糙度都會(huì)減慢信號(hào)的波的傳播。信號(hào)在介質(zhì)中傳播速率較慢的可以視為介質(zhì)具有更高的Dk值。一些測(cè)試方法對(duì)銅箔表面粗糙度敏感，而一些測(cè)試方法則不敏感。

最后，普遍認(rèn)為，使用諧振的測(cè)試方法通常比使用傳輸/反射的測(cè)試方法更精確。諧振測(cè)試方法通常更精確，但通常只能測(cè)試單個(gè)或多個(gè)離散頻率下的Dk結(jié)果。而傳輸/反射法則可以在寬頻帶上給出Dk隨頻率的變化情況。

接下來(lái)介紹PCB行業(yè)常用的一些測(cè)試方法。

1、IPC-TM-650 2.5.5.5c定義的X波段夾緊帶狀線諧振器測(cè)試方法

在層壓板生產(chǎn)完成后，需要蝕刻去除銅箔，僅將介質(zhì)原材料樣品放入夾具中進(jìn)行測(cè)試。夾具在中間有非常薄的諧振片，諧振片兩側(cè)是接地面，將待測(cè)試介質(zhì)材料（material under test ，簡(jiǎn)稱MUT）置于諧振片和接地面之間。當(dāng)夾具通過壓力夾合在一起時(shí)，夾具與被測(cè)材料則形成了地-信號(hào)-地的帶狀線RF結(jié)構(gòu)，更具體地說就是地-MUT-信號(hào)-MUT-地的結(jié)構(gòu)。本測(cè)試方法可評(píng)估材料Z軸的Dk和Df，其測(cè)試頻率可以從2.5 GHz開始到約12.5 GHz的一些離散頻率點(diǎn)。但通常，該測(cè)試方法僅評(píng)估10 GHz下的相對(duì)更為精確的頻率點(diǎn)。

該測(cè)試方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，由于夾具里面的殘留空氣（空氣的Dk值約為1）的問題，測(cè)得的Dk值有時(shí)會(huì)略低于材料的本身的Dk值。另一個(gè)擔(dān)憂是，當(dāng)測(cè)試的材料具有高各向異性（在所有3個(gè)軸上的Dk都不相同）時(shí)，諧振峰可能會(huì)發(fā)生改變，從而會(huì)降低測(cè)試Dk的準(zhǔn)確性。這一點(diǎn)往往無(wú)需過多擔(dān)心，除非某些材料具有較高的標(biāo)稱Dk值（例如Dk大于6）。較低標(biāo)稱Dk值的材料通常各向異性較小?？偟膩?lái)說，對(duì)于電路材料制造商來(lái)說，這是一種極好的大批量的測(cè)試方法，可用于Dk/Df檢測(cè)確保其材料的Dk/Df性能一致。

2、IPC-TM-650 2.5.5.13定義的分體圓柱形諧振器測(cè)試方法

該測(cè)試方法為圓柱形諧振器，顧名思義，它是分體式的，可以打開和關(guān)閉。在層壓板生產(chǎn)完成后，蝕刻去除所有的銅箔，將待測(cè)材料（MUT）放在分體式圓柱形諧振器之間，并將其關(guān)閉后進(jìn)行測(cè)試。諧振器有多個(gè)不同的諧振峰，用戶可以選擇以評(píng)估Dk和Df，但這些不同的諧振峰的頻率各有不同。該測(cè)試方法評(píng)估的是材料的X-Y平面的Dk/Df，而不是Z軸方向的Dk/Df。此外，該測(cè)試方法也可以與夾緊帶狀線測(cè)試方法（Z軸法）測(cè)試相同頻率的Dk/Df，所以，如果用這兩種測(cè)試方法評(píng)估相同材料時(shí)，各自數(shù)據(jù)的對(duì)比可以得到被測(cè)材料MUT的各向異性。值得注意的是，如果材料是各向異性的，則在使用夾緊帶狀線測(cè)試相同材料時(shí)，將與分體圓柱形諧振器測(cè)試得到不同的Dk值。

3、微帶線環(huán)形諧振器測(cè)試方法

這是一種基于電路的測(cè)試方法，環(huán)形諧振器電路設(shè)計(jì)在待評(píng)估材料上的作為測(cè)試載體。環(huán)形諧振器通常通過開路的50 Ω?jìng)鬏斁€作為饋線，將射頻信號(hào)耦合到環(huán)形器諧振電路中（環(huán)形器看起來(lái)像一個(gè)非常窄的圓環(huán)）。兩條饋線和環(huán)形諧振器之間的間隙非常關(guān)鍵，間隙區(qū)域的變化可能導(dǎo)致Dk提取不準(zhǔn)確。此外，如果環(huán)形器諧振的完成電路有較厚的鍍銅，對(duì)比在完全相同材料上但鍍銅層較薄的相同設(shè)計(jì)的環(huán)形諧振器電路，則較厚的鍍銅電路其間隙區(qū)域?qū)⒃诳諝庵芯哂懈嗟碾妶?chǎng)，而造成諧振峰偏移。由于鍍銅層的差異，提取得到的電路Dk值也會(huì)不同，這樣評(píng)估的材料的Dk值就不準(zhǔn)確。耦合間隙和鍍銅厚度的變化是正常的電路加工中的變量，基于該諧振環(huán)電路的測(cè)試將不得不包括這一點(diǎn)，但大多數(shù)材料測(cè)試并沒有這一變量。鍍銅厚度在PCB制造過程中是一個(gè)自然的固有變量，當(dāng)使用環(huán)形諧振器方法時(shí)，該厚度差異可能導(dǎo)致Dk測(cè)試的不準(zhǔn)確結(jié)果。假設(shè)工程師了解鍍銅厚度問題，了解它對(duì)Dk提取過程的影響，就可以排除這些變量而找到正確的材料的Dk值。此外，該測(cè)試方法也會(huì)受銅箔表面粗糙度的影響，而前兩種測(cè)試方法并不受粗糙度影響。環(huán)形諧振器評(píng)估的是材料的Z軸方向的Dk值。

對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說了解材料測(cè)試的方法之間的差異非常重要，特別是在比較數(shù)據(jù)表中的Dk和Df值時(shí)。如果數(shù)據(jù)手冊(cè)上已有某一Dk/Df值時(shí)，需要注意所采用的測(cè)試方法。理想情況下，最好使用相同的測(cè)試方法和相同的頻率來(lái)比較Dk/Df數(shù)據(jù)。當(dāng)這種要求有時(shí)并不可行時(shí)，如果是不同的測(cè)試方法都測(cè)試評(píng)估的是Z軸方向Dk時(shí)，以大致相同的頻率下來(lái)比較也是相對(duì)好的對(duì)比。

當(dāng)比較材料數(shù)據(jù)表或評(píng)估材料特性用于新設(shè)計(jì)時(shí)，更為重要的是，建議咨詢材料制造商以了解獲取得到數(shù)據(jù)表中關(guān)鍵數(shù)據(jù)的測(cè)試方法。

審核編輯：湯梓紅