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Rogers:材料Dk及Df测试方法综述

一月 07, 2022 | John Coonrod, Rogers Corporation
Rogers:材料Dk及Df测试方法综述

确定电路材料的Dk(介电常数,εr)和Df(损耗因数,Tanδ)的测试方法多种多样,比如IPC有12种确定材料Dk的测试方法,行业组织、大学或企业也有各自的测试方法。我撰写的关于微波材料特性的书籍中介绍了80多种评估电路材料Dk和Df的测试方法。没有一种测试方法是完美的,工程师应该采用最能模拟其产品终端使用环境的测试方法。本文将概述测试方法理念,介绍确定Dk和Df的常用测试方法。

 

测试方法基本理念

测试高频电路材料的方法分为材料测试方法和电路测试方法两大类。材料测试方法通常使用夹具来评估介质原材料,不评估电路制造变量。电路测试方法利用载体,根据电路性能提取Dk(有时也提取Df)。由于材料测试方法的精度取决于夹具变化,电路测试方法取决于电路制造变化,因此,通过这两种不同类型测试方法得到的Dk/Df值不可能相同。

同时,测试方法将根据电场朝向提取被评估材料相关的Dk/Df值。有些测试方法测试Z轴(厚度轴),而有些测试方法则评估材料的X-Y平面。PCB行业中使用的大多数电路材料都是各向异性的,在每个轴上的Dk都是不同的。因此,使用两种不同的测试方法测试同一块材料,可能获得不同的Dk值,并且这两个值都是正确的。如果材料是各向异性的,在测试相同材料时,使用评估材料的Z轴和评估X-Y平面的两种不同测试方法,会测得不同的Dk值。

测试时,其他考虑因素包括材料色散、铜表面粗糙度以及共振或透射/反射技术的使用。所有材料都有色散,这意味着Dk将随频率的变化而变化。因此,如果对同一材料使用相同的测试方法,但测试频率不同,Dk值会存在差异。总的说来,随着频率的增加,Dk值将略微减小。

无论材料Dk值大小,铜表面粗糙度会减慢波传播。Dk值较高时,波传播较慢。一些测试方法对铜表面粗糙度敏感,而有些测试方法则不敏感。

最后,人们普遍认为,使用共振的测试方法通常比使用透射/反射的测试方法更精确。谐振器测试方法通常更精确,但通常在离散频率或多倍离散频率下给出Dk结果。许多透射/反射技术将在宽频带上给出Dk结果与频率的对比。

 

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PCB行业常用测试方法

符合IPC-TM-650 2.5.5.5c测试方法要求的X波段夹持带线谐振器测试层压板制作完成后,蚀刻去除铜,原材料样品被放入夹持夹具中。夹具在中间有非常薄的谐振器电路图像及谐振器两侧的接地面,待测试材料(material under test ,简称MUT)置于谐振器和接地面之间。当夹紧在一起时,夹具具有作为接地-信号-接地的带状线RF结构;该测试方法的夹紧结构是接地-MUT-信号-MUT-接地。本测试方法可评估材料Z轴的Dk和Df。可以2.5 GHz增量使用该测试方法,最高可达约12.5 GHz。通常,该测试方法用于10 GHz下,是相对精确的测试方法。

该测试方法的缺点之一是,由于夹持夹具有截留空气(空气的Dk值约为1)的问题,测得的Dk值有时会低于材料的Dk。该测试方法的另一个潜在问题是,当测试具有高各向异性的材料(在所有3个轴上的Dk都大不相同)时,共振峰可能会发生改变,从而会降低Dk提取的准确性。通常无需担心,除非某些材料具有较高的标称Dk值,例如Dk大于6。总的来说,对于大批量电路材料制造商来说,这是一种极好的测试方法,可用于确保其材料的Dk/Df性能一致。

符合IPC-TM-650 2.5.5.13测试方法要求的分体圆柱形谐振器测试该测试方法为圆柱形谐振器,顾名思义,它是分体式的,可以打开和关闭。层压板制作完成后,蚀刻去除所有的铜,将MUT放在分体式圆柱形谐振器之间,并将其关闭。谐振器将有几个不同的共振峰,供用户选择以评估Dk和Df。这些不同的共振峰处于不同的频率下。该测试方法将评估材料的X-Y平面,而不是Z轴。该测试方法也可以与夹持带状线测试方法(Z轴法)在相同频率下运行,所以,用这两种测试方法评估相同材料时,数据对比将给出有关MUT Dk各向异性的信息。此外,如果材料是各向异性的,则在使用夹持带状线测试评估相同材料时,分体圆柱形测试中可获得不同的Dk值。

微带环形谐振器测试方法这是一种电路测试方法,环形谐振器电路模式建立在待评估材料上的测试载体。环形谐振器通常具有开口的50 Ω传输线(馈线),将射频能带到环形电路图形的两侧(环形图形看起来像一个非常窄的圆环)。两条馈线和环形结构之间的间隙非常关键,间隙区域的变化可能导致Dk提取不准确。

此外,如果环形电路结构镀有较厚的铜,对比另一个构建在完全相同材料上但镀铜层较薄的环形谐振器,较厚的镀铜电路其间隙区域将在空气中具有更多的场,并且谐振峰将偏移。由于铜镀层的不同,提取的Dk值将不同,仅评估材料的Dk值是不准确的。间隙和镀铜厚度的变化是正常的电路变量;电路测试将包括这一点,但大多数材料测试不包括这一点。镀铜厚度在PCB制造过程中具有自然变化,并且当使用环形谐振器时,该厚度差异可能导致不准确的Dk结果。假设工程师了解铜厚度问题,了解它对提取过程的影响,就可以找到正确的Dk。

此外,该测试方法会受铜表面粗糙度的影响,而前两种测试方法不受粗糙度影响。环形谐振器可评估材料的Z轴Dk。

设计工程师在比较数据表中的Dk和Df值时,了解测试方法之间的差异非常重要。理想情况下,最好使用相同的测试方法和相同的频率比较Dk数据,当这种要求不可行时,采用不同的测试方法就要以大致相同的频率测得Z轴Dk。

当比较材料数据表或调查材料特性用于新设计时,咨询材料制造商以了解数据表中关键数据的获得方式很重要。

更多内容可点击这里查看,文章发表于《PCB007中国线上杂志》12月号,更多精彩原创内容,欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。

标签:
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