印制电路板高频介电常数测试技术现状分析

葛 鹰 刘申兴 朱泳名

广东生益科技股份有限公司

1 前言

近年来，高频高速印制电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）在卫星定位导航、3G/4G通信基站、平板电脑以及智能手机等方面得到了越来越广泛的应用。伴随着通信技术的高速发展，高频高速覆铜板和挠性覆铜板等材料也不断地被开发和投入使用。

随着高频高速PCB越来越广泛的应用，对PCB介质基板材料介电性能参数的检测也显得尤为重要。这包含介电常数（Dielectric Constant，简称Dk）和介电损耗（Dielectric Loss）。介电常数在PCB的特性阻抗有决定性的作用。介电损耗又用介质损耗角正切（Dielectric Loss tangent，简称Df或tanδ）来表示。介电损耗影响了PCB线路的插入损耗和功率衰减。若设计和实际生产中的介电常数值不相同，那么将严重恶化整个系统的信号完整性（Signal Integrity）。

针对高频高速PCB设计和使用，如何快速、有效地测量板材的复介电常数，对于PCB设计参数的设定和仿真调试、覆铜板材料的验收和生产过程的控制具有重要意义。

2 高频介电常数测试技术的现状

目前印制电路板高频介电常数主流测试技术包括：谐振法技术，传输线终端法技术、时域法技术、传输法技术。

2.1 带状线谐振器法

带状线谐振腔法是目前应用最为广泛的测试技术，在中国、日本、美国都有相应的测试标准[1]-[4]。其测试原理为以被测介质基片与金属接地板和薄形谐振导带构成了带状传输线，两端开路的带状线具有谐振电路的特性。可通过网络分析仪测量带状线谐振频率和固有品质因数，从而计算得出介电常数和介电损耗角正切。典型的测试频率为1 GHz ～ 14 GHz，带状线谐振电路如图1所示。

图1 带状线谐振电路[4]

2.2 微带谐振器法

微带谐振器法通常以被测介质基片作为衬底与金属接地板和薄形环状谐振导带构成微带传输线，使用网络分析仪测量其谐振频率和固有品质因数，从而计算得出介电常数。使用不同规格的微带谐振器，测试频率可达30 GHz。谐振电路如图2所示。

图2 微带线谐振电路

2.3 分离式圆柱体谐振腔法

该法测试原理为采用TE01n谐振模式的密封空圆柱体，分别测量空腔和插入样品后的谐振频率和品质因数计算得出介电常数和介电损耗角正切。但该法对采样要求较高，非磁性（μr=1-j0）、均质和非各向异性，具有均匀厚度和平坦平行边。图3是腔体截面示意图。

图3 分离式圆柱体谐振腔体截面示意图

2.4 谐振腔微扰法

谐振腔微扰法分为圆柱形腔体和矩形腔体，如图4所示。测试腔在所确定的H10n或E0n0模式下，通过测量插入棒状介质试样前后的谐振频率和品质因数，应用微扰理论分别计算出介电常数和介电损耗角正切。

图4 微扰测试腔体示意图[5]（左图：矩形腔体；右图：圆柱形腔体）

2.5 介质谐振腔法

介质谐振腔法是一种非接触测量复介电常数的方法，采用两个高介电低损耗的介质谐振器及TE01n谐振模式，将电磁能量限制在两个分开的空圆柱形金属腔内，构成谐振腔。通过测量插入介质基板前后的谐振频率和品质因数，采取有限元的方法来分析，通过微扰计算得出介电常数和介电损耗角正切[6]。图5是分离介质柱谐振腔体截面示意图。

图5 分离介质柱谐振腔体截面示意图[7]

2.6 SPP法

SPP法（Short Pulse Propagation Test Method，简称SPP法）主要应用在插入损耗测试上[8]，但配合2D电磁仿真软件和电镜分析切片手段，能较好地分析由于趋肤效应而导致高频下铜箔表面粗糙度对介电损耗的影响，获得精准的介电损耗角正切值。若使用高性能的TDR（时域反射计）测试仪，测试频率可高达40 GHz。测试流程如图6所示。

图6 SPP法测试流程

2.7 S3法

S3法[9]（Stripline S-parameter Sweep Test Method，简称S3法）采用的是传输法技术，对特定长度的带状线Demo板，使用网络分析仪测量其双口网络的S参数。由于采用了板载TRL校准，去嵌入转接头和连接器的影响，因此能获得较高精度的介电常数值。其典型的测试频率为2 GHz ～ 15 GHz。S3法的测试流程如图7所示。

图7 S3法测试流程

3 结语

综上所述，由于被测材料的介电性能、物理状态、测试频率的不同，所采用的测试方法也不同。表1给出了不同的测试技术在本文讨论的总结。根据各种技术方法的限制，应考虑为不同的目的选择最合适的测试技术。

表1 印制电路板高频介电常数测试技术概况表

[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, 微波介质基片复介电常数带状线测试方法[S]. 1998.

[5]GB/T 7265.1-1987, 固体电介质微波复介电常数的测试方法_微扰法[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]安捷伦应用指南5989-5384CHCN, 用于对基板进行介电测量的安捷伦分离式介电谐振器[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.