表征PCB材料特性的不同測(cè)試電路的差異

引言

高頻電路材料的電氣特性可以有許多不同的方式來(lái)表征。例如，有些方法是采用夾具對(duì)原介質(zhì)材料直接進(jìn)行表征，而有些則是采用電路形式來(lái)進(jìn)行。材料數(shù)據(jù)手冊(cè)中的Dk和Df通常是采用夾具的方式得到的結(jié)果。然而，當(dāng)比較電路測(cè)試的結(jié)果時(shí)，有時(shí)發(fā)現(xiàn)利用夾具測(cè)試法得到的Dk結(jié)果與利用電路法得到的Dk結(jié)果不同。

造成此差異的原因各不相同，需要具體情況具體分析。一般來(lái)說(shuō)，與電路測(cè)試法相比，夾具測(cè)試不會(huì)有影響Dk提取的諸多變量。而在使用電路測(cè)試時(shí)，Dk的提取將受到PCB制造工藝的各個(gè)方面的影響，如導(dǎo)線(xiàn)寬度控制、銅厚度變化、最終表面處理和銅箔表面粗糙度等。典型的夾具測(cè)試方法不會(huì)存在這些變量，但它可能會(huì)受到夾帶空氣、夾具對(duì)準(zhǔn)度、耦合差異以及夾具部件加工公差等的影響。

另外，施加到被測(cè)材料的電磁場(chǎng)可能會(huì)隨著測(cè)試方法的不同而有所差異。在評(píng)估各向異性材料時(shí)，不同的場(chǎng)的方向可能也會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。PCB行業(yè)中所用的大部分材料都是各向異性的，這意味著材料在三個(gè)軸向上的Dk都是不同的。

如果所表征的電氣特性與大批量生產(chǎn)的PCB有關(guān)，那么最佳的測(cè)試方法和樣品應(yīng)將是最接近大批量實(shí)際電路的測(cè)試方法和樣品形式。如果電氣特性表征是一個(gè)需考慮各種不同電路材料以用于未來(lái)不同項(xiàng)目的評(píng)估，那么最好對(duì)所有材料均采用同一固定測(cè)試法。如果所采用的測(cè)試方法相同，且已充分了解，那么對(duì)于被測(cè)材料來(lái)說(shuō)則相對(duì)公正。然而，由于不同的電路材料的電路制造工藝有不同的工藝需求，所以利用相同電路測(cè)試法來(lái)評(píng)估不同的電路材料可能不是一個(gè)很好的比較。

電路測(cè)試方法有許多不同的方案和電路形式，其中比較常見(jiàn)的電路形式包括如諧振器、不同長(zhǎng)度的傳輸線(xiàn)、貼片天線(xiàn)、180度混合耦合器、以及延遲線(xiàn)等等。

環(huán)形諧振器電路多年前就被用于PCB材料的電氣特性評(píng)估和表征，且取得了好的結(jié)果。但是在過(guò)去幾年里，隨著毫米波（mmWave）頻率應(yīng)用的增多，使用環(huán)形諧振器測(cè)試電路來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估毫米波頻段下的PCB材料電氣特性已經(jīng)有一些困難了。在理解這種差異時(shí)，波長(zhǎng)是理解這一問(wèn)題的簡(jiǎn)單切入點(diǎn)。低頻時(shí)，波長(zhǎng)較大；而毫米波頻率下，波長(zhǎng)很小，波的傳播對(duì)于電路異常現(xiàn)象更敏感，從而產(chǎn)生射頻干擾。對(duì)于電路制造來(lái)說(shuō)，這些小的電路異?，F(xiàn)象均是正常的，在低頻時(shí)則不會(huì)造成任何射頻性能差異，而在毫米波頻段下則會(huì)出現(xiàn)差異。

許多環(huán)形諧振器都是通過(guò)間隙耦合的。間隙耦合的差異也會(huì)影響環(huán)形諧振器的中心頻率，從而影響Dk的提取精度。間隙所導(dǎo)致的射頻差異通常與蝕刻以及銅的厚度變化有關(guān)。例如在毫米波頻段下，同一環(huán)形諧振器設(shè)計(jì)的不同制造時(shí)間的兩個(gè)電路，如果一個(gè)電路的銅厚要比另一個(gè)更厚，那么銅厚較厚的電路中空氣內(nèi)的邊緣場(chǎng)密度更大。空氣的Dk極低，空氣內(nèi)場(chǎng)密度越大，自然會(huì)降低提取值的Dk。但此時(shí)這個(gè)Dk值并不是電路材料的特性，而是與電路制造工藝相關(guān)的。此外，蝕刻的導(dǎo)體的梯形狀及其不同電路的導(dǎo)體梯形狀的正常變化，也將由于場(chǎng)密度變化而影響射頻性能。但是，在低頻率時(shí)這種由于耦合而產(chǎn)生的差異并不明顯。

對(duì)PCB材料電氣特性評(píng)估或表征時(shí)，還需要考慮銅箔表面粗糙度的影響。這里的銅箔表面粗糙度是指制作層壓板時(shí)基板和銅箔相結(jié)合處的銅箔表面。當(dāng)銅箔較粗糙時(shí)，就會(huì)減慢波的傳播而改變射頻性能。同一類(lèi)型的銅箔表面粗糙度也不是固定不變的，正常情況下不同批次之間的其粗糙度也是不同的。對(duì)于微帶環(huán)形諧振器來(lái)說(shuō)，由于這種正常的粗糙度變化的影響，信號(hào)層平面的銅箔粗糙度與地平面的也可能不同。相對(duì)而言，低頻率下的銅箔粗糙度引起的差異不太明顯；然而對(duì)于高頻率下所使用的測(cè)試樣品或電路來(lái)說(shuō)，銅箔粗糙度及其變化則是另一個(gè)需考慮的問(wèn)題。

有許多測(cè)試方法和測(cè)試電路形式均可用于評(píng)估和表征高頻PCB電路材料的特性。設(shè)計(jì)人員應(yīng)聯(lián)系材料供應(yīng)商咨詢(xún)所公布的Dk值的獲取方式，以及詢(xún)問(wèn)特定射頻設(shè)計(jì)適用的評(píng)估和測(cè)試方法建議。