覆銅板與PCB之間介電常數(shù)測量差異分析

朱泳名 葛 鷹 魏 婷

（1.廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523808；2.國家電子電路基材工程技術(shù)研究中心，廣東 東莞 523808）

0 引言

阻抗設(shè)計無論是對于高速網(wǎng)通、服務(wù)器還是射頻電路來說都是最基本的要求，良好的阻抗匹配才能保證信號的有效傳輸，降低反射信號的影響。印制電路板（printed circuit board，PCB）都應(yīng)有阻抗設(shè)計要求，這是最基本的加工指標(biāo)之一。而對于覆銅板（copper clad laminate，CCL），能夠影響PCB 客戶阻抗設(shè)計的因素在通過實際測量厚度以后就只有介電常數(shù)（Dk）這一項。所以無論是對于PCB 還是CCL，Dk的有效評估都是生產(chǎn)設(shè)計的重要指標(biāo)之一。

1 Dk測量原理說明

1.1 CCL主流Dk測試原理

目前CCL 行業(yè)對于Dk測量有明確的測試方法標(biāo)準(zhǔn)，主來自于IPC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范IPC TM650-2.5.5.X中的測試方法，詳見表1。

表1 IPC TM650標(biāo)準(zhǔn)測試方法匯總

表1 中，標(biāo)準(zhǔn)號IPC TM650-2.5.5.5C 帶狀線法、IPC TM650-2.5.5.9 平板電容和IPC TM650-2.5.5.15分離式介質(zhì)諧振腔為目前CCL廠家最為主流和常見的3 種測試方式，下文就這3 種Dk測試方法原理展開分析。

1.2 3種Dk測試方法

1.2.1 IPC TM650-2.5.5.55c帶狀線測試方法

帶狀線測試方法［1］的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 帶狀線結(jié)構(gòu)示意

該方法的核心是通過圖1 中的諧振電路來實現(xiàn)諧振頻率的測量，從而反向推導(dǎo)出材料Dk，計算式為

式中：n為諧振階數(shù)；c為光速；f為諧振頻率；L為諧振電路長度。

從式（1）可知，L為帶狀線諧振電路的實際加工物理長度，但是從測量來看，信號所傳輸?shù)木嚯x是電長度，也就是說物理長度與電長度會存在一定的差異，而導(dǎo)致這個差異的原因主要在于銅箔的粗糙度，它會使得信號傳輸?shù)碾婇L度大于計算時所使用的物理長度。如圖2所示。

圖2 銅箔粗糙度示意

從信號趨膚效應(yīng)來說，信號會隨著傳輸線路的表面?zhèn)鬏?，頻率越高該現(xiàn)象越明顯。帶狀線測試方法也一樣，測試頻率已到達(dá)10 GHz，信號就會沿著銅箔的表面?zhèn)鬏?，銅箔的粗糙度會增加信號的傳輸線距離。結(jié)合式（1）來看，它會使得最終計算出來的Dk值比實際材料的Dk值偏高。

1.2.2 IPC TM650-2.5.5.9平板電容測試方法

平板電容測試方法［2］結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 平板電容測試結(jié)構(gòu)示意

該方法是通過測量材料的電容值來反向計算Dk，計算公式為

式中：k為靜電力常量；C為平行板電容；ΔC為邊緣電容；H為被測樣品厚度；S為平行板正對面積。

結(jié)合圖3 和式（2）可知，使用平板電容法測試Dk勢必會引入邊緣電容，而邊緣電容會使整個電容的測試值變大，從而實際測量Dk相對于理想的上下平行的正負(fù)極板間Dk會更高。

1.2.3 IPC TM650-2.5.5.15 分離式介質(zhì)諧振腔測試方法

分離式介質(zhì)諧振腔測試方法［2］結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 分離式諧振腔測試方法結(jié)構(gòu)示意

通過放置樣品前后的諧振頻率偏移來計算Dk，計算公式為

式中：F0為空腔諧振頻率；Fs為放置樣品后諧振頻率；H為樣品厚度；K（Dk，H）為由Rayleigh-Ritz法計算得出的Dk與H的相關(guān)函數(shù)。

由于諧振腔信號傳輸方向的關(guān)系，其電場分布是平行于腔體和被測樣品的，如圖5所示。

圖5 分離式諧振腔電場分布示意

因此，分離式介質(zhì)諧振腔所測量的是樣品平面方向的Dk值。但CCL 的結(jié)構(gòu)本身就不是均一材質(zhì)，因此材料會產(chǎn)生各向異性［4］。常規(guī)的CCL 切片如圖6所示。

圖6 常見的CCL結(jié)構(gòu)

大部分常規(guī)CCL 都是樹脂與玻纖布的混合物，所以材料各向異性的影響無法消除。而分離式諧振腔的電場分布是沿著材料平面方向的，相比于垂直方向，電場會更多地作用于Dk更高的玻纖布上，因此最終的測試結(jié)果也會遠(yuǎn)大于實際應(yīng)用時橫電磁波的Dk。

1.2.4 材料Dk測試方法小結(jié)

從上述3 種主流的Dk測試方法來看，任何一種測試方案都會因為其本身的結(jié)構(gòu)或者電場分布等原因而導(dǎo)致測試所得的Dk與材料真實值或者實際應(yīng)用情況相比偏高。

1.3 PCB阻抗測試及Dk反推原理

關(guān)于PCB 的阻抗測試在IPC TM650-2.5.5.7 中也有明確的定義和說明，基本原理是根據(jù)時域反射波形的電壓變化來計算被測傳輸線的阻抗大小。測試示意如圖7所示。

圖7 阻抗測試原理

圖8 Polar SI9000軟件界面

阻抗計算公式為

式中：Z0為入射阻抗；Vi為入射電壓；Vr為反射電壓。

結(jié)合圖7 和式（4）可知，實際在阻抗測試的過程中，電場是垂直于樣品分布的，而且實際輸入信號為一上升時間固定的階躍信號，該信號是單一的傳輸階躍，并非周期性的波形，因此不存在頻率的概念。

在實際PCB 進(jìn)行阻抗設(shè)計時，通常對新材料會進(jìn)行至少一次的首板反推。一般流程為根據(jù)CCL 廠家所提供的Dk測試值先初步設(shè)計一個阻抗測試樣品，然后實際測量阻抗，測量完成后切片確認(rèn)傳輸線及介質(zhì)物理尺寸，最后再到Polar SI9000中將Dk作為變量進(jìn)行反推。

結(jié)合軟件界面，因為阻抗、線寬、介質(zhì)層厚度、銅厚等參數(shù)都是通過時域反射計和顯微鏡實際測量的，此時只有Dk是唯一變量，只要將除Dk以外的其他實際測試參數(shù)輸入軟件之后即可反向計算出PCB廠家需要的阻抗設(shè)計Dk值。

相比前面所介紹的Dk測試方法，阻抗反推獲得的是階躍信號實際傳輸?shù)慕Y(jié)果，不存在邊緣電容和趨膚效應(yīng)的影響，電場也不會平行于樣品，那么阻抗反推所得出的Dk應(yīng)該要比前面所介紹的3種CCL實際測試的Dk值都偏低。

2 試驗對比

基于理論分析的結(jié)果，PCB 阻抗反推得到的Dk應(yīng)該比CCL 上述3 種測試方法實際測試的結(jié)果都偏低，下面進(jìn)行試驗驗證該推論。試驗方案及實測數(shù)據(jù)見表2。

表2 CCL及PCB廠家Dk測試方法對比考察方案

本次試驗采用S1000H 樣品對稱的單張7628結(jié)構(gòu)，在PCB 阻抗反推時為了排除表層阻焊和電鍍后蝕刻精度的影響，采用了內(nèi)層線路。反推參數(shù)見表3。

表3 PCB阻抗反推物理參數(shù)

實際測試顯示，通過PCB 阻抗反推形式得到的Dk與CCL廠家實際測試得到的Dk存在較為明顯的系統(tǒng)差，而且阻抗反推Dk會比本次試驗對比的3 種CCL 測試方法結(jié)果都偏低，與理論推論也相吻合。

3 結(jié)語

本文從實際CCL 與PCB 廠家所遇到問題出發(fā)，結(jié)合測量理論與應(yīng)用方法，從原理上分析了不同方法之間差異的原因，通過試驗考察得出了PCB阻抗反推Dk會比CCL廠家實際測量Dk要偏低的結(jié)果，這與大多數(shù)實際情況下Dk的使用表現(xiàn)也是吻合的。但因為阻抗測量、切片測量以及材料測試本身都必定會存在一定的誤差，所以本試驗所展示數(shù)據(jù)僅代表一個趨勢性的結(jié)果，并不能代表各方法之間的絕對差異值就是如此。該趨勢可供PCB工程設(shè)計人員參考。