印制電路板高頻介電常數(shù)測試技術(shù)現(xiàn)狀分析

葛 鷹 劉申興 朱泳名

廣東生益科技股份有限公司

1 前言

近年來，高頻高速印制電路板（Printed Circuit Board，簡稱PCB）在衛(wèi)星定位導(dǎo)航、3G/4G通信基站、平板電腦以及智能手機(jī)等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。伴隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展，高頻高速覆銅板和撓性覆銅板等材料也不斷地被開發(fā)和投入使用。

隨著高頻高速PCB越來越廣泛的應(yīng)用，對PCB介質(zhì)基板材料介電性能參數(shù)的檢測也顯得尤為重要。這包含介電常數(shù)（Dielectric Constant，簡稱Dk）和介電損耗（Dielectric Loss）。介電常數(shù)在PCB的特性阻抗有決定性的作用。介電損耗又用介質(zhì)損耗角正切（Dielectric Loss tangent，簡稱Df或tanδ）來表示。介電損耗影響了PCB線路的插入損耗和功率衰減。若設(shè)計和實(shí)際生產(chǎn)中的介電常數(shù)值不相同，那么將嚴(yán)重惡化整個系統(tǒng)的信號完整性（Signal Integrity）。

針對高頻高速PCB設(shè)計和使用，如何快速、有效地測量板材的復(fù)介電常數(shù)，對于PCB設(shè)計參數(shù)的設(shè)定和仿真調(diào)試、覆銅板材料的驗(yàn)收和生產(chǎn)過程的控制具有重要意義。

2 高頻介電常數(shù)測試技術(shù)的現(xiàn)狀

目前印制電路板高頻介電常數(shù)主流測試技術(shù)包括：諧振法技術(shù)，傳輸線終端法技術(shù)、時域法技術(shù)、傳輸法技術(shù)。

2.1 帶狀線諧振器法

帶狀線諧振腔法是目前應(yīng)用最為廣泛的測試技術(shù)，在中國、日本、美國都有相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)[1]-[4]。其測試原理為以被測介質(zhì)基片與金屬接地板和薄形諧振導(dǎo)帶構(gòu)成了帶狀傳輸線，兩端開路的帶狀線具有諧振電路的特性。可通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量帶狀線諧振頻率和固有品質(zhì)因數(shù)，從而計算得出介電常數(shù)和介電損耗角正切。典型的測試頻率為1 GHz ～ 14 GHz，帶狀線諧振電路如圖1所示。

圖1 帶狀線諧振電路[4]

2.2 微帶諧振器法

微帶諧振器法通常以被測介質(zhì)基片作為襯底與金屬接地板和薄形環(huán)狀諧振導(dǎo)帶構(gòu)成微帶傳輸線，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量其諧振頻率和固有品質(zhì)因數(shù)，從而計算得出介電常數(shù)。使用不同規(guī)格的微帶諧振器，測試頻率可達(dá)30 GHz。諧振電路如圖2所示。

圖2 微帶線諧振電路

2.3 分離式圓柱體諧振腔法

該法測試原理為采用TE01n諧振模式的密封空圓柱體，分別測量空腔和插入樣品后的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)計算得出介電常數(shù)和介電損耗角正切。但該法對采樣要求較高，非磁性（μr=1-j0）、均質(zhì)和非各向異性，具有均勻厚度和平坦平行邊。圖3是腔體截面示意圖。

圖3 分離式圓柱體諧振腔體截面示意圖

2.4 諧振腔微擾法

諧振腔微擾法分為圓柱形腔體和矩形腔體，如圖4所示。測試腔在所確定的H10n或E0n0模式下，通過測量插入棒狀介質(zhì)試樣前后的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，應(yīng)用微擾理論分別計算出介電常數(shù)和介電損耗角正切。

圖4 微擾測試腔體示意圖[5]（左圖：矩形腔體；右圖：圓柱形腔體）

2.5 介質(zhì)諧振腔法

介質(zhì)諧振腔法是一種非接觸測量復(fù)介電常數(shù)的方法，采用兩個高介電低損耗的介質(zhì)諧振器及TE01n諧振模式，將電磁能量限制在兩個分開的空圓柱形金屬腔內(nèi)，構(gòu)成諧振腔。通過測量插入介質(zhì)基板前后的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，采取有限元的方法來分析，通過微擾計算得出介電常數(shù)和介電損耗角正切[6]。圖5是分離介質(zhì)柱諧振腔體截面示意圖。

圖5 分離介質(zhì)柱諧振腔體截面示意圖[7]

2.6 SPP法

SPP法（Short Pulse Propagation Test Method，簡稱SPP法）主要應(yīng)用在插入損耗測試上[8]，但配合2D電磁仿真軟件和電鏡分析切片手段，能較好地分析由于趨膚效應(yīng)而導(dǎo)致高頻下銅箔表面粗糙度對介電損耗的影響，獲得精準(zhǔn)的介電損耗角正切值。若使用高性能的TDR（時域反射計）測試儀，測試頻率可高達(dá)40 GHz。測試流程如圖6所示。

圖6 SPP法測試流程

2.7 S3法

S3法[9]（Stripline S-parameter Sweep Test Method，簡稱S3法）采用的是傳輸法技術(shù)，對特定長度的帶狀線Demo板，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量其雙口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。由于采用了板載TRL校準(zhǔn)，去嵌入轉(zhuǎn)接頭和連接器的影響，因此能獲得較高精度的介電常數(shù)值。其典型的測試頻率為2 GHz ～ 15 GHz。S3法的測試流程如圖7所示。

圖7 S3法測試流程

3 結(jié)語

綜上所述，由于被測材料的介電性能、物理狀態(tài)、測試頻率的不同，所采用的測試方法也不同。表1給出了不同的測試技術(shù)在本文討論的總結(jié)。根據(jù)各種技術(shù)方法的限制，應(yīng)考慮為不同的目的選擇最合適的測試技術(shù)。

表1 印制電路板高頻介電常數(shù)測試技術(shù)概況表

[1]IPC-TM-650-2.5.5.5, Stripline Test for Permittivity and Loss Tangent (Dielectric Constant and Dissipation Factor) at X-Band[S]. 1998.

[2]IPC-TM-650-2.5.5.5.1, Stripline Test for Complex Relative Permittivity of Circuit Board Materials to 14 GHz [S]. 1998.

[3]JPCA–TM001, A TEST METHOD FOR COPPER-CLAD LAMINATES FOR PRINTED WIRING BOARDS DIELECTRIC CONSTANT AND DISSIPATION FACTOR (500MHz to 10GHz) [S]. 2007.

[4]GB/T 12636-90, 微波介質(zhì)基片復(fù)介電常數(shù)帶狀線測試方法[S]. 1998.

[5]GB/T 7265.1-1987, 固體電介質(zhì)微波復(fù)介電常數(shù)的測試方法_微擾法[S]. 1987.

[6]Toshio Nishikawa, K.W., Hiroaki Tanaka and a.Y. Ishikawa, DIELECTRIC RESONATOR METHOD FOR NONDESTRUCTIVE MEASUREMENT OF COMPLEX PERMITTIVITY OF MICROWAVE DIELECTRIC SUBSTRATES [J]. Murata Manufacturing Co., Ltd, 1988.

[7]安捷倫應(yīng)用指南5989-5384CHCN, 用于對基板進(jìn)行介電測量的安捷倫分離式介電諧振器[R]. 2012.

[8]IPC-TM-650-2.5.5.12 Method D, Test Methods to Determine the Amount of Signal Loss on Printed Boards (PBs) [S]. 2009

[9]S. Hinaga, M. Koledintseva, J. Drewniak, A. Koul, and F. Zhou, Thermal Effects on PCB Laminate Material Dielectric Constant and Dissipation Factor[C]. Techn. Conf. IPC Expo/APEX 2010, Las Vegas, April 5-8, 2010, Publication Year: 2010, paper # S16-1.