PCB材料Dk測(cè)量值可靠性的探討

移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)正朝著第五代（5G）通信技術(shù)邁進(jìn)，并逐步向毫米波（mmWave）頻段發(fā)展。對(duì)于許多電路設(shè)計(jì)工程師而言，意味著要慎重考慮印刷電路板（PCB）材料的選擇，并了解它在毫米波頻率下的 5G 電路系統(tǒng)中的性能特征。這意味著許多高頻電路設(shè)計(jì)工程師，需要依靠線路板材料廠家提供的介電常數(shù)（Dk）測(cè)量值，來(lái)作為設(shè)計(jì)電路的基礎(chǔ)。但是，這些材料的 Dk 測(cè)量值可靠性如何呢？

IPC 等組織定義的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方法為測(cè)量材料 Dk 提供了行之有效的方法。實(shí)際上，IPC 有 12 種不同的方法來(lái)確定材料的 Dk 值（含導(dǎo)體或不含導(dǎo)體）。但是，這些方法存在一些變化量，導(dǎo)致某種材料計(jì)算出的 Dk 可能會(huì)發(fā)生偏差。比如線路板材料的 Dk 值通常具有各向異性，那么通過(guò)相同線路板材料的 x-y 平面確定的 Dk 與 z 軸或厚度方向確定的 Dk 是不同的。而且，線路板材料的 Dk 也與頻率相關(guān)，Dk 值隨頻率增加而降低。因此，在比較線路板材料的 Dk 值時(shí)，在相同的測(cè)試頻率和相同的材料方向或坐標(biāo)軸上進(jìn)行比較是非常重要的。使用相同的 Dk 測(cè)試方法，有助于它們進(jìn)行更準(zhǔn)確的對(duì)比，因?yàn)閬?lái)自不同測(cè)試方法的結(jié)果可能會(huì)有所不同。

那么，哪個(gè)是正確的 Dk 值的測(cè)試方法？尤其是下一代電路的模型或設(shè)計(jì)，采用正確的 Dk 值十分關(guān)鍵。盡管測(cè)試方法具有可重復(fù)性，但相同線路板材料使用不同的測(cè)試方法結(jié)果也會(huì)有所不同。重要的是要理解為什么會(huì)發(fā)生這種情況，特別是用選定材料的 Dk 來(lái)設(shè)計(jì)和制造 24GHz 或者更高頻率的 5G 電路時(shí)更是如此。

用于確定被測(cè)材料（MUT）Dk 的測(cè)試方法包括直接測(cè)試原介質(zhì)材料的方法，即是將原材料介質(zhì)放入夾具中并用金屬導(dǎo)體將被測(cè)材料壓緊進(jìn)行測(cè)試；也包括通過(guò)在某材料上加工具有鮮明特性的電路，對(duì)該電路測(cè)試來(lái)完成被測(cè)材料 Dk 的確定。基于測(cè)試夾具的 Dk 測(cè)試方法，例如 IPC 標(biāo)準(zhǔn) IPC-TM-650 2.5.5.5 Rev C 就是其中之一。該測(cè)試方法詳細(xì)介紹的夾緊式帶狀線測(cè)試方法，最大程度的減小了電路加工對(duì)材料 Dk 測(cè)試的影響，從而確定介質(zhì)原材料的 Dk。在夾緊式帶狀線測(cè)試夾具中，是將兩塊原始介質(zhì)材料夾在金屬電路層兩側(cè)，以形成帶狀線諧振器的。

盡管這種 Dk 測(cè)量方法試圖盡量消除加工過(guò)程對(duì)材料 Dk 的影響，但它仍然有一些其他的不可控性變量的影響，如在帶狀線諧振器兩側(cè)的被測(cè)材料的厚度變化。這種夾緊帶狀線的厚度是由測(cè)試夾具中間的諧振器厚度和兩側(cè)的被測(cè)材料的厚度共同構(gòu)成。形成該帶狀線諧振器的厚度變化會(huì)影響該測(cè)試夾具確定的 Dk 值（該值往往是厚度范圍的平均值）。放置在測(cè)試夾具的材料的不均勻性也可能會(huì)導(dǎo)致空氣滯留在測(cè)試夾具中，從而影響 Dk 值。因?yàn)榭諝獾?Dk 值約為 1，空氣的存在會(huì)降低被測(cè)材料（MUT）的 Dk，空氣越多影響越大。

為了保持一致性和準(zhǔn)確性，IPC 測(cè)試方法明確定義了測(cè)試夾具中使用的硬件類(lèi)型，例如直徑 3.5 毫米的同軸電纜，N 型同軸連接器等。這種互連確保了儀器（VNA）和測(cè)試夾具在進(jìn)行高頻測(cè)量時(shí)具有可重復(fù)性，但這種硬件類(lèi)型也會(huì)設(shè)定一個(gè)頻率限制，不高于 12GHz。在較高的頻率下當(dāng)然仍可以使用帶狀線測(cè)試夾具方法進(jìn)行 Dk 測(cè)量，但是必須對(duì)硬件進(jìn)行改進(jìn)，包括待測(cè)材料（MUT）要更薄，和更小直徑的同軸電纜和連接器等等。還必須明確定義硬件的性能極限，例如插入損耗，相位精度和帶寬等，以確保此類(lèi) Dk 測(cè)量在高頻率下的一致性和準(zhǔn)確性。

過(guò)程完善

基于電路的 Dk 測(cè)試方法是在待測(cè)材料（MUT）上設(shè)計(jì)某種參考電路，通過(guò)測(cè)試該電路的某些性能，從而用來(lái)確定材料在不同頻率下的 Dk。然而，在電路的加工過(guò)程中的一些變量，如微帶或接地共面波導(dǎo)(GCPW)的不同，會(huì)影響電路確定的 Dk 的準(zhǔn)確性。例如，微帶環(huán)形諧振器通常用作確定 Dk 的電路設(shè)計(jì)（請(qǐng)參閱 ROG 的博客，“Searching for a Standard mmWave Dk Test Method”），因?yàn)樘囟ǖ?Dk 和電路尺寸（例如環(huán)半徑）對(duì)應(yīng)該材料上特定的諧振頻率。甚至可以用來(lái)確定材料的其他特性，如損耗或耗散因子（Df）。微帶環(huán)形諧振器可以在較低頻率下較準(zhǔn)確的確定 Dk，但是隨著頻率的增加準(zhǔn)確度就逐漸降低。

微帶傳輸線也可用作測(cè)試電路來(lái)測(cè)量和確定待測(cè)材料（MUT）的 Dk，它是利用微帶在不同介電材料上的傳播特性（例如相移）來(lái)確定的。但是由于在待測(cè)材料（MUT）上加工微帶線就存在諸多與制造工藝相關(guān)的變量，如導(dǎo)體的寬度、導(dǎo)體之間的間距以及介電材料的厚度等，因此最終 Dk 的精度受這些變化參數(shù)的影響。另外，沿著傳輸線傳播的電磁場(chǎng)部分在電介質(zhì)材料中，部分在其周?chē)目諝庵?，因此根?jù)傳輸線的測(cè)量結(jié)果確定 Dk 時(shí)，需要考慮空氣中的電磁場(chǎng)量。

對(duì)于電路設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，確定線路板材料 Dk 的準(zhǔn)確、可重復(fù)的方法對(duì)毫米波頻段的研究和設(shè)計(jì)至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，對(duì)測(cè)量用電路（例如環(huán)形諧振器）的改進(jìn)可以減少電路加工變化的影響，并提高在較高頻率下 Dk 的確定精度（請(qǐng)參見(jiàn)作者的 IPC 2020 演示文稿，“Measuring the Impact of Test Methods for High Frequency Circuit Materials”）。該演示文稿發(fā)布在羅杰斯官方網(wǎng)站技術(shù)支持中心主頁(yè)上：www.rogerscorp.com/techub。在微帶環(huán)形諧振器中使用邊緣耦合相比于間隙耦合可以提高 Dk 測(cè)量精度，并且使用 GCPW 饋線代替微帶可以減少基于微帶電路變化帶來(lái)的影響。

確定線路板材料 Dk 的測(cè)試方法很多，但是通過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法和充分考慮，在毫米波頻率范圍內(nèi)，也可以可重復(fù)、精確的測(cè)量線路板材料的 Dk 值。

審核編輯黃宇