溫度均勻性對微波介質(zhì)基板介電常數(shù)熱系數(shù)測試的影響

董彥輝 于藝杰

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220）

張永華

（無錫江南計(jì)算技術(shù)研究所印制板質(zhì)量檢測中心，江蘇 無錫 210023 ）

0 引言

目前高頻電路基板材料的工作頻段已經(jīng)覆蓋了從低頻到毫米波范圍，而微波、毫米波通信在雷達(dá)、遙感、航天測控以及制導(dǎo)等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用，使得基板材料的工作環(huán)境覆蓋了從零下幾十?dāng)z氏度到幾百攝氏度的范圍[1]，介電常數(shù)熱系數(shù)的測試也越來越受到微波介質(zhì)基板生產(chǎn)企業(yè)和使用單位的關(guān)注。微波介質(zhì)基板介電常數(shù)溫度熱系數(shù)TCDk，是對微波介質(zhì)基板介電常數(shù)隨應(yīng)用環(huán)境溫度變化而變化的一種性能評價(jià)，它可以是正值（隨溫度增高，Dk增大），也可以是負(fù)值。在設(shè)計(jì)對溫度變化較為敏感的電路，如帶通濾波器、壓控振蕩器及天線時(shí)，忽略介電常數(shù)隨溫度變化的特性會帶來許多問題。介電常數(shù)在傳輸線的特性阻抗和波長方面起著決定性的作用，傳播速度、波長和特性阻抗都隨著介電常數(shù)的變化而變化，如果實(shí)際應(yīng)用中材料介電常數(shù)發(fā)生較大變化，整個(gè)電路的性能將大大降低[2][3]。

國際上，測試微波介質(zhì)基板介電常數(shù)熱系數(shù)的方法通常是采用IPC-TM-6502.5.5.5[4]。國標(biāo)中相似的測試方法為GB/T 12636-1990微波介質(zhì)基片復(fù)介電常數(shù)（帶狀線法），國內(nèi)對采用此方法進(jìn)行介電常數(shù)熱系數(shù)測試的文獻(xiàn)也較多，如許增超[5]、王修齊[6]等人均對該方法的誤差來源進(jìn)行了詳細(xì)探討，但關(guān)于溫度均勻性對測試結(jié)果的影響沒有進(jìn)一步研究。國內(nèi)關(guān)于介電常數(shù)熱系數(shù)的測試暫無國家測試標(biāo)準(zhǔn)，雖然有相關(guān)的測試規(guī)范，但對溫度準(zhǔn)確性及均勻性沒有明確的要求。國外生產(chǎn)廠家如羅杰斯所采用的IPC測試標(biāo)準(zhǔn)對測試過程中溫度均勻性的要求也沒有明確的說明。在實(shí)際測試過程中，對于介電常數(shù)熱系數(shù)較大的微波介質(zhì)基板，測試系統(tǒng)溫度的準(zhǔn)確性及均勻性對測試結(jié)果的影響較小，但對于介電常數(shù)熱系數(shù)較小的產(chǎn)品，如RT duroid 6002、CLTE-XT，溫度準(zhǔn)確性，尤其是溫度均勻性對測試結(jié)果的影響會變得非常明顯，這也是本文研究的主要內(nèi)容。

1 帶狀線法測試介電常數(shù)熱系數(shù)原理

1.1 相對介電常數(shù)測試原理

帶狀線諧振器是在尺寸相同的兩片介質(zhì)基片的中間位置夾持一片薄金屬銅箔導(dǎo)帶，然后在上下壓上導(dǎo)電良好的金屬板，形成兩端開路的帶狀線，并在其傳播方向上進(jìn)行微波信號的耦合，形成耦合回路（如圖1）。

圖1 帶狀線諧振器示意圖

測試時(shí)，激發(fā)帶狀線諧振器產(chǎn)生諧振，并通過測試TEM模各諧振峰的諧振頻率f和品質(zhì)因數(shù)Q，結(jié)合諧振器的長度、厚度，金屬導(dǎo)帶的寬度、厚度，以及金屬接地板的電阻率等參數(shù)，計(jì)算出介質(zhì)基材在不同頻率下的相對介電常數(shù) 。

1.2 介電常數(shù)熱系數(shù)測試原理

介電常數(shù)熱系數(shù)按公式（1）計(jì)算。

式中：

T0─ 對應(yīng)介電常數(shù) 時(shí)控溫箱的溫度，℃；

T1─ 對應(yīng)介電常數(shù) 時(shí)控溫箱的溫度，℃；

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 測試系統(tǒng)組成

為帶狀線諧振器變溫測試系統(tǒng)組成，包括帶狀線測試夾具、溫度控制系統(tǒng)、高頻耦合探針，加壓測壓裝置、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和控制微機(jī)等（如圖2）。

圖2 帶狀線諧振器測試系統(tǒng)框圖

待測樣品固定在夾具之間，并整體置于溫控系統(tǒng)中，通過加壓裝置對帶狀線諧振器施壓，以排除諧振器中的空氣，測試時(shí)由網(wǎng)絡(luò)分析儀通過高頻耦合探針激發(fā)諧振器產(chǎn)生諧振，最終測試結(jié)果由計(jì)算機(jī)求出。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀選用安捷倫N5230C，多點(diǎn)溫控系統(tǒng)由中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所研制，溫度控制點(diǎn)分別選擇樣品的上和下表面左、中、右共計(jì)6個(gè)點(diǎn)，經(jīng)國家計(jì)量院對溫度均勻性進(jìn)行計(jì)量確認(rèn)，其均勻性優(yōu)于±0.5℃，對比組為一套商用單點(diǎn)溫控系統(tǒng)，溫度控制點(diǎn)在樣品上表面中部。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

利用兩套不同的溫控系統(tǒng)，分別對RT duroid 6002和CLTE-XT兩種樣品的介電常數(shù)熱系數(shù)進(jìn)行測試，以比對不同溫控狀態(tài)下介電常數(shù)熱系數(shù)的測試結(jié)果。從表1中可以看出，上述兩種材料的介電常數(shù)熱系數(shù)的典型值非常小，RT duroid 6002介電常數(shù)熱系數(shù)為0.0012 %/℃（12 ppm/℃），CLTE-XT介電常數(shù)熱系數(shù)為-0.0009 %/℃（-9 ppm/℃），均介于-0.002 %/℃～0.202 %/℃（-20 ppm/℃～20 ppm/℃）之間，如此小的介電常數(shù)熱系數(shù)變化，對測試系統(tǒng)的介電常數(shù)測試穩(wěn)定性、重復(fù)性、以及測試系統(tǒng)溫度均勻性、準(zhǔn)確性都提出了更高的要求（見表1）。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 測試系統(tǒng)溫度均勻性研究

為得到多點(diǎn)溫控系統(tǒng)與單點(diǎn)溫控系統(tǒng)在到達(dá)測試溫度點(diǎn)時(shí)樣品的實(shí)際溫度狀態(tài)，我們選擇0℃和100℃時(shí)兩個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行研究。對測試系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制和監(jiān)控，溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖3～圖6所示，圖中6條不同顏色的曲線分別代表多點(diǎn)溫控系統(tǒng)中待測樣品上層左、中、右3個(gè)位置及下層左、中、右3個(gè)位置溫度值的變化。

其中，圖3為100℃時(shí)，控溫系統(tǒng)升溫至100℃的時(shí)間-溫度圖。當(dāng)上層中心溫度最先到達(dá)設(shè)置溫度時(shí)，此時(shí)與單點(diǎn)溫控系統(tǒng)的狀態(tài)相似，其余測試位置溫度均未達(dá)到設(shè)置溫度。若將此時(shí)設(shè)為測試溫度上限點(diǎn)，并在此時(shí)進(jìn)行測試時(shí)，測試樣品不同位置處的溫度并不均勻，會導(dǎo)致介電常數(shù)測試結(jié)果誤差較大（如圖3）。

為最終獲得的均勻性較為穩(wěn)定的100℃溫度圖，由圖中可以看出，此時(shí)所監(jiān)測樣品的6個(gè)位置的溫度較為均勻一致，且均勻性優(yōu)于±0.5℃，在此時(shí)進(jìn)行測試時(shí)介電常數(shù)測試結(jié)果較為準(zhǔn)確（如圖4）。同樣，在對實(shí)驗(yàn)所需的0℃環(huán)境條件溫度進(jìn)行監(jiān)測（如圖5），上層中心點(diǎn)溫度最先到達(dá)設(shè)置溫度，但此時(shí)溫度均勻性較差，穩(wěn)定后的時(shí)間-溫度曲線（如圖6）。

3.2 介電常數(shù)重復(fù)性研究

在公式（1）中，介電常數(shù)熱系數(shù)測試測試結(jié)果由兩個(gè)參數(shù)決定，一個(gè)是溫度，另一個(gè)是介電常數(shù)。因此，在溫度系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，介電常數(shù)測試的重復(fù)性、穩(wěn)定性對介電常數(shù)熱系數(shù)測試結(jié)果影響將變得非常重要。測試過程中，介電常數(shù)重復(fù)性的好壞主要取決于軟件設(shè)計(jì)及測試系統(tǒng)壓力的控制（見表2），無論是單點(diǎn)還是多點(diǎn)溫控系統(tǒng)，采用多次采集數(shù)據(jù)求取平均值的方法可以使得介電常數(shù)測試結(jié)果的變化不超過±0.0001，基本可以忽略由介電常數(shù)測試系統(tǒng)引起的介電常數(shù)熱系數(shù)測試偏差（見表2）。

3.3 介電常數(shù)熱系數(shù)測試結(jié)果比較

采用多點(diǎn)溫控系統(tǒng)和單點(diǎn)溫控系統(tǒng)分別在100℃和0℃環(huán)境下進(jìn)行測試，其中多點(diǎn)溫控系統(tǒng)在監(jiān)測的6個(gè)點(diǎn)溫度最大偏差小于0.5℃時(shí)進(jìn)行測試，而單點(diǎn)溫控系統(tǒng)在檢測點(diǎn)溫度到達(dá)測試溫度并保持15 min后進(jìn)行測試，分別選取RT duroid 6002和CLTE-XT各5組樣品進(jìn)行測試，測試結(jié)果（見表3～表6）。由測試結(jié)果可以看出，對于材料RT duroid 6002，單點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)測試結(jié)果與羅杰斯的典型值差距較為明顯，且數(shù)據(jù)離散性較大。采用多點(diǎn)溫控系統(tǒng)測試結(jié)果保持了良好的重復(fù)性，并與材料手冊中的典型值基本吻合。對于材料CLTEXT，其介電常數(shù)熱系數(shù)典型值為-0.0009 %/℃（-9ppm/℃），單點(diǎn)溫控系統(tǒng)測試結(jié)果卻在-0.0001%/℃（10 ppm/℃）左右，偏離典型值較大，而采用多點(diǎn)控溫系統(tǒng)的測試結(jié)果與羅杰斯典型值更為接近。介電常數(shù)熱系數(shù)由材料的組成結(jié)構(gòu)（樹脂成分、玻纖布增強(qiáng)材料比例等）決定，對于陶瓷填充的PTFE或碳?xì)錁渲哳l基材，介電常數(shù)熱系數(shù)的值通常都比較小。此時(shí)為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，良好地控制測試系統(tǒng)的溫度均勻性，尤其是樣品不同位置處的溫度均勻性便顯得尤為重要。

表1 測試所用羅杰斯樣品型號及熱系數(shù)典型值[7][8]

圖3 測試系統(tǒng)100℃點(diǎn) 時(shí)間-溫度圖

圖4 測試系統(tǒng)100℃點(diǎn)穩(wěn)定后 時(shí)間-溫度圖

圖5 測試系統(tǒng)0℃點(diǎn) 時(shí)間-溫度圖

圖6 測試系統(tǒng)0℃點(diǎn)穩(wěn)定后 時(shí)間-溫度圖

表2 RTduroid 6002 介電常數(shù)重復(fù)性測試

表3 RTduroid 6002多點(diǎn)溫控系統(tǒng)測試值

表4 RTduroid 6002單點(diǎn)溫控系統(tǒng)測試值

表5 CLTE-XT多點(diǎn)溫控系統(tǒng)測試值

表6 CLTE-XT單點(diǎn)溫控系統(tǒng)測試值

4 結(jié)論

本文測試所采用兩種溫控系統(tǒng)中，單點(diǎn)溫控系統(tǒng)的加熱方式、硬件設(shè)計(jì)及控制軟件設(shè)計(jì)相對簡單，其設(shè)置的單點(diǎn)測試溫度也較容易實(shí)現(xiàn)，而多點(diǎn)溫控系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)測試樣品溫度均勻，無論硬件設(shè)計(jì)或控制軟件設(shè)計(jì)都較為困難。從本文研究結(jié)果可以看出，無論單點(diǎn)或者多點(diǎn)溫控系統(tǒng)，溫度均勻性對于介電常數(shù)熱系數(shù)的測試結(jié)果影響都非常大，如果溫度不均勻，極有可能獲得測試誤差較大的測試結(jié)果。采用多點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)對溫度進(jìn)行控制，使樣品整體達(dá)到測試所需溫度后，其介電常數(shù)熱系數(shù)測試結(jié)果更為可信。