【经验】电路板材料Dk和Df的测试方法概述

时间： 2022-02-10 来源：Rogers

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有许多不同的测试方法可以用来确定电路板材料的介电常数Dk(或ε_r)和Df(损耗因数，损耗角，损耗正切)，IPC有12种不同的测试方法来确定材料的Dk。此外，还有其他行业组织、大学和许多公司定义的材料Dk测试方法。有一本关于微波材料特性的书，里面有超过80种不同的测试方法来评估电路板材料的Dk和Df。总的来说，没有完美的测试方法，工程师应该使用最接近他们最终用途产品的测试方法。在本文ROGERS将概述测试方法的概念，并讨论用于确定电路板材料的Dk和Df的常见测试方法。

测试方法的概念

高频电路材料的测试方法有两大类：材料测试方法和电路测试方法。材料测试方法通常使用夹具来评估原始介电材料。这种类型的测试只评估原材料，而不考虑电路制造变量。另一类是使用电路测试载具根据电路性能提取Dk(有时是Df)。由于材料测试方法的精度依赖于夹具的变化，而电路测试方法依赖于电路制造的变化，因此从这两种不同类型的测试方法中提取的Dk/Df值应该是不相同的。

另一个问题是，测试方法将根据被评估材料相关的电场方向提取Dk/Df值。一般来说，一些测试方法会测试z轴(厚度轴)，其他的测试方法会评估材料的X-Y平面。由于PCB工业中使用的大多数电路材料都是各向异性的，所以Dk在材料的每个轴上都是不同的。可以用两种不同的测试方法对同一块材料进行测试，得到两种不同的Dk值，两个值都是正确的。如果材料是各向异性的，一种测试方法是评估材料的z轴，另一种测试方法是评估X-Y平面；在测试相同的材料时，我们应该会得到不同的Dk值。

测试方法概念的其他几个考虑因素是材料耗散、铜表面粗糙度以及谐振或传输/反射技术的使用。所有的材料都有耗散，这意味着Dk会随着频率的变化而变化。所以，如果使用相同的测试方法对相同的材料进行两次测试，但测试频率不同，那么Dk值应该报告有差异。基本上，随着频率的增加，Dk值会略有下降。

所有的材料都有耗散，这意味着Dk会随着频率的变化而变化。

铜表面粗糙度可以降低行波的速度，且无论材料的Dk值如何，当行波速度越慢，Dk值就越高。有些试验方法对铜表面粗糙度敏感，有些试验方法对铜表面粗糙度不敏感。

最后，被广泛接受的是使用谐振的测试方法通常比使用传输/反射的测试方法更准确。但它们通常在离散频率或离散频率的倍数下给出Dk结果。许多传输/反射技术将在较宽的频带内根据频率给出Dk结果.

以下是PCB行业常用的几种测试方法的概述。

IPC-TM-650标准 2.5.5.5C节 x波段带状线夹具谐振器测试法

电路层压板制成后，所有的铜被蚀刻掉，原材料的样品被放入夹紧夹具内。夹具中间有一个非常薄的谐振器电路腔，谐振器两侧有一个接地平面，在谐振器和接地平面之间放置被测材料(MUT)。当夹具夹在一起时，具有带状线射频结构，即地-信号-地；这种测试方法最关键的是加紧结构，接地面-MUT -信号- MUT-接地面。该测试方法评估材料z轴的Dk和Df。它可以从2.5 GHz到12.5 GHz频率变化下使用。通常，这种测试方法在10GHz下使用，是一种相对准确的测试方法。

这个测试方法的一个缺点是获得的Dk值有时会低于材料的Dk值，这是由于夹紧夹具会有空气进入的自然问题（空气Dk约1)导致的。这种测试方法的另一个潜在问题是，当测试具有高各向异性的材料(Dk在所有三个轴上都有很大的不同)时，会通过这种方式改变谐振波峰，从而降低Dk获取的准确性。这通常不是一个问题，除了一些具有高标称Dk值的材料，例如具有6或更高的Dk值。总的来说，对于大批量电路材料制造商来说，这是一种很好的测试方法，可以确保材料的Dk/Df性能一致。

IPC-TM-650 标准2.5.5.13 圆柱形谐振器测试法

这种测试方法是一个圆柱形谐振器，顾名思义，它是分离的，可以打开和关闭。电路层压板制成后，所有的铜被蚀刻掉，要测试的材料(MUT)被放在分离的圆筒之间，它是封闭的。谐振器将有几个不同的谐振波峰供用户选择以评估Dk和Df。这些不同的谐振波峰在不同的频率上。这种测试方法将评估材料的X-Y平面，而不是z轴。由于这一差异，以及该测试方法也可以与夹紧带状线测试方法(z轴法)在相同频率下工作，在这两种测试中评估同一材料时，对数据进行比较，将提供MUT的Dk各向异性信息。此外，如果材料是各向异性的，当用夹紧带状线测试评估同一材料时，应该会得到在分离圆柱体测试中获得不同的Dk值。

微带环形谐振器测试方法

该方法是一种电路测试方法，环形谐振器电路图形（pattern）是建立在待评估材料上的测试工具。环形谐振器通常有开放式的50欧姆传输线(馈线)，将射频能量带到环形电路图形的两侧(环形电路图形看起来像一个非常薄的甜甜圈)。两条馈线之间的间隙和环形结构是关键点，间隙区域的变化会导致Dk获取不准确。

此外，如果环形电路结构在PCB工艺中镀了更厚的铜，与另一个用同样的材料但镀了更薄的铜的环形谐振器相比，厚镀铜电路的间隙区域在空气中有更大的电磁场，且当镀铜厚度较薄时，谐振波峰的偏移会与环形谐振腔厚度不同而变化。由于镀铜的不同，提取的Dk值也会不同，仅对材料的Dk进行评估是不正确的。间隙和镀铜厚度的变化是正常的电路变量；电路测试将包括这一点，但大多数材料测试不包括这一点。在PCB制作过程中，镀铜厚度存在自然变化，在使用环形谐振器时，这种厚度差异会导致Dk结果不准确。假设工程师知道铜的厚度问题，并在提取过程中对其进行了解释，就可以找到正确的Dk。此外，该测试方法受铜表面粗糙度的影响，而前两种测试方法不受粗糙度影响。环形谐振器也是评估材料的z轴参数。

理解测试方法之间的差异对于设计工程师来说是非常重要的，特别是当工程师在比较数据表上的Dk和Df值时。如果要比较数据表的Dk值，需要了解生成Dk值的测试方法。理想情况下，最好使用相同的测试方法并以相同的频率比较Dk数据，但有时这是不可行的。但是，如果对正在比较的数据表上的Dk值使用不同的测试方法，并且两个数据表报告z轴Dk的频率大致相同，那么这应该是一个很好的比较方法。

当比较数据表或研究新设计的材料特性时，重要的是要咨询材料制造商，以了解数据表上的关键数据是如何获得的。

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