微波介质基板介电性能测试方法探讨

2019-09-20董彦辉

印制电路信息 2019年9期

关键词：谐振器介电常数基板

董彦辉

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220）

张永华

（无锡江南计算技术研究所军用印制板质量检测中心，江苏无锡 214083）

0 引言

无论是微波介质基板的研发制造，或是在成品微波印制板的设计、加工和调试过程中，介质材料的介电性能都是需要着重考虑的一个参数[1}-[2]，需要通过准确、有效的方法进行测量。相对介电常数（Dk）是一个非常复杂的参数，在电路板基材的三根轴线上（X、Y和Z），它的值都是不一样的，同时它会随信号频率的变化而变化，且对于不同的测试方法和测试环境，Dk的测试结果也会不同。

对于生产及科研单位而言，通常最关心的是微波介质基板材料在X波段（8 GHz ～12 GHz)下的介电性能参数指标，即介电常数Dk、损耗因子Df。以及介电常数热系数TCDk（Dk随温度的变化率）。本文将探讨的几种方法：GB/T 12636-1990[3]微波介质基片复介电常数（带状线）测试方法；IPC TM-650 2.5.5.5C[4]Strip-line Test for Permittivity and Loss Tangent（Dielectric Constant and Dissipation Factor) at X-Band；IPC TM-650 2.5.5.13[5]Relative Permittivity and Loss Tangent Using a Split-Cylinder Resonator；QWED公司的分离电介质谐振器（SPDR）、TE01δ等方法均可以实现常温状态下Dk、Df的测试，其中GB/T 12636-1990 、IPC TM-650 2.5.5.5c、SPDR、TE01δ等方法通过外接温控控制系统的方式还可以实现介电常数热系数TCDk的测试，但IPC TM-650 2.5.5.13所用谐振器结构相对复杂，目前尚未见到能够实现介电常数热系数TCDk测试的商用测试系统。

国内外对于高频介电性能的测试方法论著很多，但普遍存在的问题是对于同一种材料，采用不同的测试原理、测试方法、测试夹具，其结果存在明显差异，并没有任何一种测试方法可以获得唯一性认可。此外，国内对于介电性能参数测试设备的计量通常也只停留在计量矢量网络分析仪，以及相关的测试温度、测试压力等外界环境条件上，没有统一的标样进行衡量。理论上，无论是哪种测试方法，其结果只要对产品的应用具有指导意义都可以采用，但是多样的测试方法，不同的测试夹具也给测试需求者带来了很多困扰。针对自身的应用需求，究竟哪种方法操作更为方便，测试结果更加准确，并且更具经济性，是本文探讨的主要内容。

1 微波介质基板介电性能测试方法概述

1.1 GB/T 12636-1990 微波介质基片复介电常数带状线测试方法

该方法是由唐宗熙、张其劭等老师于1990年提出的基于IPC TM-650 2.5.5.5c改进的带状线测试方法，也是现行的国家标准方法。该方法最主要的优势是可以采用完全腐蚀后的样品进行测试，无需通过光刻的方式在样品上制作特定的测试图形，主要误差来自于边缘场效应影响引起的有效增长量ΔL[6]。

该方法从提出到应用近30年并未进行修订完善，部分测试条件也局限在当时测试仪器的能力限制内，如标准中规定测试过程中仪器的插入损耗值一般应在-30dB～-36dB之间，但严格按照该方法进行测试时，会导致测试点的品质因数偏低，进而引起损耗因子测试结果的较大误差。本文采用该方法测试时，插入损耗调整在低于-45 dB，与本文中使用的其他方法插入损耗的测试要求基本一致，典型测试曲线，该方法的最高测试频率通常可达到20 GHz（如图1）。

图1 带状线法测试曲线图

GB/T 12636-1990测试方法的主要优点体现在制样便捷，对于样品厚度在0.25 mm～1.5 mm间的基板一般不需要通过样品叠加即可进行测试，同时该方法更容易实现-50 ℃～180 ℃区间介电常数热系数TCDk的测试，并能进行宽频带测试。该方法的主要缺点是对于0.1 mm左右薄膜类样品只能叠加才能进行测试，容易造成Df的测试误差较大。此外，为保证测试结果的准确性，该方法在测试过程中需要施加较大的压力以排除样品间的空气，因此对于一些脆性易碎样品无法进行测试。

1.2 IPC TM-650 2.5.5.5c带状线谐振器法

该方法为业界承认度比较高的一种测试方法，包括罗杰斯及Taconic等公司均采用该方法对微波基板进行介电性能测试，通常由生产企业或者研究单位依据标准自制夹具及编写相应测试程序，目前国内尚无货架产品在售。

从制样的难易程度来讲，方法IPC TM-650 2.5.5.5c的要求最为苛刻，通常需要对覆铜箔基材进行蚀刻处理以获得标准测试图形的样品才能进行测试，因此制样的周期较长，测试成本较高。

1.3 IPC TM-650 2.5.5.13分裂圆柱体谐振腔法

该方法由是德科技公司提出并且有货架产品在售，即Keysight 85072A分体式圆筒谐振器，配合矢量网络分析仪可用于测量薄膜、非复合基板和低损耗薄片材料的相对介电常数和损耗角正切。85072A分体式圆筒谐振腔是一个分成两半的圆柱形谐振腔，样品在两个半缸之间的间隙中加载，其中一个半腔体固定，另一个半腔体位置可调，以适应不同的样本厚度（如图2）。该方法的空腔品质因数很高，因此损耗角正切的测量精度较高，置入待测样品过厚时，测试频点会出现较大的飘逸现象，典型测试曲线（如图3）。

图2 分裂圆柱体谐振腔夹具

图3 85072A分裂圆柱体谐振腔测试曲线图

85072A分裂圆柱体谐振腔法测试优势体现在样品无需叠加，无需在样品表面蚀刻测试图形，也无需施加压力排除空气的影响，样品厚度0.1 mm～3 mm，直径大于56 mm的圆形或者方形样品均可以进行测试，但对样品厚度均匀性要求较高，唯一的缺点是无法施加外部温控进行介电常数热系数TCDk的测试。

1.4 SPDR分离电介质谐振器法

分离电介质谐振器Split Post-Dielectric Resonator （SPDR）可在 1 GHz～20 GHz 频率范围内的单一频率点上测量介电常数和损耗角正切值，其测试原理为谐振法。与传输反射法相比，传输反射法可以在其运行的频率范围内的“任意”点进行扫描测量，而谐振法则使用单一频率点（或针对不同谐振模式使用多个频率点）进行测试。分离电介质谐振器法对样品制作要求比较简单，只需样品平整并能完全覆盖谐振腔体中部即可，为了提高测试精度，通常不宜选择过厚的样品进行测试，谐振器夹具（如图4）。

图4 分裂电介质谐振器夹具

SPDR方法的主要优点是谐振峰的品质因数Q较大，因此测试精度较高，尤其适用于低损耗材料的测试，并能对印制电路基板和薄膜材料进行方便、快速的无损测量，典型测试曲线（如图5）。

图5 分裂电介质谐振器法谐振测试曲线图

SPDR方法可以实现-270 ℃～110 ℃范围内介电常数热系数TCDk的测试，但受夹具本身材质限制，对于微波基板材料在高温110 ℃以上的测试要求无法实现。

1.5 TE01δ模介电谐振器

TE01δ模介电谐振器技术适用于小体积圆盘或圆柱形样品的高精度复介电常数测量。此外，通过外接温控系统，还可以测量介电常数的热系数。QWED所有TE01δ型介质谐振腔都是定制的，测量频率取决于被测样品的直径、高度和介电常数，典型样品的测量频率在1 GHz～10 GHz范围内，（如图6）为本文采用测试夹具。通过使用较小的空腔和样品或更高阶的准TE0MN模式，也可以在更高频率下进行测试。

图6 TE01δ模介电谐振器夹具

TE01δ模介电谐振器法的缺点主要体现在：

（1）对于介电常数完全未知的样品，该方法测试较为困难，对于Dk值为2.94左右的样品，如果知道理论值在2.94左右，可以在谐振曲线中找到理论的谐振点17.275 GHz左右的谐振峰进行测试。如果不知道理论值而直接进行测试，会发现从13 GHz～18 GHz存在有多个谐振峰，无从准确判断哪个是真正需要的测试谐振峰（如图7）。

图7 TE01δ测试示意图

（2）该测试夹具测量频率取决于被测样品的直径、高度和介电常数，想获得10 GHz左右的Df、Dk值需要反复计算测试，才可以制作出符合要求的样品。

（3）与SPDR方法一样，受夹具材质影响，该夹具可以实现-270 ℃～110 ℃介电常数热系数TCDk的测试，但对于微波基板材料在高温110 ℃以上的测试要求无法实现。

2 测试结果比较

2.1 常温Dk、Df测试结果

选择一张型号为RT duroid 6002（厚度0.504 mm）的微波介质基板，然后在该基板的不同位置按照上述各类测试方法的要求分别制作测试样品，并在常温环境下对介电常数Dk和损耗因子Df进行测试，结果（见表1）。

通过表1中的结果可以看出，几种方法的Dk值测试结果一致性较好。Df值结果，IPC TM-650 2.5.5.5C、测试结果与其他三种方法测试结果差异较大，主要原因是该方法有样品厚度要求，需要叠加才可以进行测试，并且如果谐振器两端未实现良好接地，均会为Df值的测试带来较大误差。

2.2 介电常数热系数TCDk测试结果

受测试条件限制，本文仅采用GB/T 12636-1990这一种测试方法对该参数进行测试，结果（见表2）。

从表2中可以看出，介电常数热系数TCDk测试结果与典型值较为接近。TCDk作为微波基板的重要参数指标，其测试准确性一直是行业内关注的焦点[7][8]，这一准确性主要取决于温度控制系统的精度及待测样品所处环境的温度均匀性，尤其是对于TCDk介于-0.00001～0.000019（-10 ppm～10 ppm）间的介质材料，温度准确性及均匀性对测试结果的影响更为明显。

3 结论

通过以上测试结果的比较，本文所述的几种测试方法对于常温介电常数及损耗均可以进行准确测试，但每种方法适用的材料类型、样品形状各不相同，生产厂家可以依据自身产品特点，以及关注的测试频点，选择合适的测试方法。

从测试成本及测试周期考虑，常温环境下测试介电常数Dk、损耗因子Df，仅有IPC TM-650 2.5.5.5c需要对样品进行光刻图形制作，而其它测试方法的样品只需完全去除基材表面的铜箔，然后加工成特定尺寸即可。对于介电常数热系数的测试，根据测试温度范围的不同，可以选择适用的测试方法。由于本文测试样本有限，只针对一种样品对比研究了多种测试方法的差异，其测试结果不具有通用性，但有一定的代表性。