IC-Substrat - Charakterisierung von Leiterplattenmaterialien bei Millimeterwellenfrequenz

Die dielektrische Konstante (Dk) or relative dielektrische Konstante der Leiterplatte Material ist keine konstante Konstante – obwohl es nach seinem Namen wie eine Konstante aussieht. Zum Beispiel, Die Dk eines Materials ändert sich mit der Frequenz. Ähnlich, wenn unterschiedliche Dk-Prüfmethoden auf demselben Material verwendet werden, Es können auch unterschiedliche Dk-Werte gemessen werden, auch wenn diese Prüfmethoden korrekt sind. Als Leiterplatte Materialien werden zunehmend in Millimeterwellenfrequenzen eingesetzt, wie 5G und fortschrittliche Fahrassistenzsysteme, Es ist sehr wichtig, die Variation von Dk mit Frequenz zu verstehen und welche Dk-Prüfmethode "geeignet" ist..

Obwohl Organisationen wie IEEE und IPC haben spezielle Ausschüsse, die dieses Diema erörtern, Es gibt keine branchenübliche Testmethode zur Messung des Dk von Leiterplatte Materialien bei Millimeterwellenfrequenzen. Dies liegt nicht an fehlenden Messmethoden. In der Tat, ein Referenzpapier veröffentlicht von Chen et al. 1 beschriebene mehr als 80-Methoden zur Messung von Dk. Allerdings, keine Methode ist ideal. Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile, besonders im Frequenzbereich von 30 bis 300 GHz.
Circuit test and raw Material test

Für die Bestimmung des Dk oder Df (Verlusttangente oder Tanδ) von LeiterplattenMaterialien gibt es im Allgemeinen zwei Arten von Prüfmethoden: das Messen von Rohstoffen oder das Messen von Schaltkreisen aus Materialien. Rohstoffbasierte Tests basieren auf hochwertigen und zuverlässigen Prüfvorrichtungen und -geräten, und Dk- und Df-Werte können durch direkte Prüfung von Rohstoffen erhalten werden. Schaltungsbasierte Tests verwenden übliche Schaltkreise und extrahieren Materialparameter aus der Schaltungsleistung, wie die Messung der Mittenfrequenz oder des Frequenzgangs eines Resonators. Rohstoffprüfverfahren führen in der Regel Unsicherheiten in Bezug auf Prüfvorrichtungen oder Prüfvorrichtungen ein, während Schaltungstestsmethoden Unsicherheiten aus dem Schaltungsdesign und der zu prüfenden Verarbeitungstechnologie umfassen. Da diese beiden Methoden unterschiedlich sind, sind die Messergebnisse und Genauigkeitsstufen in der Regel inkonsistent.

Zum Beispiel, das X-Band geklemmte Streifenprüfverfahren definiert durch IPC ist ein Rohstoffprüfverfahren, und das Ergebnis kann nicht mit dem Dk-Ergebnis des Schaltungstests des gleichen Materials übereinstimmen. The clamping type stripline raw material testing method is to clamp two pieces of material under test (MUT) in a special test fixture to construct a stripline resonator. Es wird Luft zwischen dem zu prüfenden Material und dem dünnen Resonatorschaltung in der Prüfvorrichtung, und die Anwesenheit von Luft verringert die gemessene Dk. Wenn der Schaltungstest an derselben Stelle durchgeführt wird Leiterplatte material, Der gemessene Dk ist anders, da keine Luftzufuhr vorhanden ist. Für Hochfrequenzen Leiterplatte Materialien mit einer Dk Toleranz von ±0.050 durch die Rohstoffprüfung ermittelt, Der Schaltungstest erhält eine Toleranz von etwa ±0.075.
The Leiterplatte Material ist anisotrop und hat in der Regel unterschiedliche Dk-Werte auf den drei Materialachsen. Der Dk-Wert hat normalerweise einen kleinen Unterschied zwischen der x-Achse und der y-Achse, so für die meisten Hochfrequenzmaterialien, Dk Anisotropie bezieht sich normalerweise auf den Dk Vergleich zwischen der z-Achse und der x-y Ebene. Aufgrund der Anisotropie des Materials, für dasselbe zu prüfende Material, Der gemessene Dk auf der z-Achse unterscheidet sich von dem Dk auf der x-y-Ebene, Obwohl die Prüfmethode und der durch die Prüfung ermittelte Dk-Wert beide "korrekt" sind.
Die Art der Schaltung, die für die Schaltungstests verwendet wird, beeinflusst auch den gemessenen Dk-Wert. Allgemein, Es werden zwei Arten von Testkreisen verwendet: Resonanzstruktur und Übertragung/Reflexionsstruktur. Resonanzstrukturen liefern normalerweise schmalbandige Ergebnisse, während der Übertragung/Reflexionstests liefern in der Regel Breitbandergebnisse. Die Methode der Verwendung einer Resonanzstruktur ist im Allgemeinen genauer.

Examples of test methods
A typical example of raw material testing is the X-band clamped stripline method. Es wurde von Hochfrequenzen verwendet Leiterplatte manufacturers for many years and is a reliable method to determine the Dk and Df (tanδ) in the z-axis of the Leiterplatte material. Es verwendet eine Klemmvorrichtung, um einen lose gekoppelten Stripline-Resonator für die zu prüfende Materialprobe zu bilden. The measured quality factor (Q) of the resonator is no-load Q, so das Kabel, Verbinder, Kalibrierung von Vorrichtungen und Vorrichtungen haben wenig Einfluss auf das Endergebnis. Das Kupfer plattiert Leiterplatte muss vor der Prüfung die gesamte Kupferfolie abgeätzt werden, und nur das dielektrische Rohstoffsubstrat wird geprüft. Die Kreislaufrohstoffe werden unter bestimmten Umgebungsbedingungen in eine bestimmte Größe geschnitten und beidseitig in die Klemmen gelegt. Resonatorschaltung ((siehe Abbildung 1)).

Der Resonator ist als Halbwellenresonator mit einer Frequenz von 2 ausgelegt.5 GHz, so ist die vierte Resonanzfrequenz 10 GHz, Ein Resonanzpunkt, der häufig für Dk- und Df-Messungen verwendet wird. Sie können einen niedrigeren Resonanzpunkt und Resonanzfrequenz verwenden – sogar eine höhere fünfte Resonanzfrequenz kann verwendet werden, aber wegen des Einflusses von Obertönen und falschen Wellen, ein höherer Resonanzpunkt wird in der Regel vermieden. Measure and extract (Dk) oder relativ permittivity
Where n is the number of resonance frequency points, c ist die Geschwindigkeit des Lichts im freien Raum, fr ist die Mittelfrequenz der Resonanz, und ΔL kompensiert die elektrische Längenverlängerung durch das elektrische Feld im Kupplungsspalt. It is also very simple to extract tanδ (Df) from the measurement, which is the 3dB bandwidth-related loss of the resonance peak minus the conductor loss (1/Qc) related to the Resonatorschaltung.
Obwohl ungefähr, Diese Formeln sind nützlich, um den ursprünglichen Dk-Wert zu bestimmen. Using electromagnetic (EM) field solver and accurate Resonatorschaltung Größe kann genauer Dk erhalten.
Die Verwendung von lose gekoppelten Resonatoren bei der Messung von Dk und Df kann den Resonator-Belastungseffekt minimieren. Wenn die Einfügedämpfung an der Resonanzspitze kleiner als 20 dB ist, es kann als lose Kupplung betrachtet werden. In einigen Fällen, Die Resonanzspitze darf aufgrund extrem schwacher Kopplung nicht gemessen werden. Dies tritt normalerweise in dünneren Resonanzkreisen auf. Dünnere Schaltungsmaterialien werden häufig in Millimeterwellenanwendungen verwendet, da je höher die Frequenz, je kürzer die Wellenlänge, und je kleiner die Schaltungsgröße.