Substrat De Boîtier IC - Caractéristiques du matériau de la carte à la fréquence des ondes millimétriques

La constante diélectrique (DK) ou la constante diélectrique relative d'un matériau de carte de circuit imprimé n'est pas une constante, bien qu'elle ressemble à une constante de son nom. Par exemple, le DK d'un matériau varie avec la fréquence. De même, différentes valeurs de DK peuvent également être mesurées si différentes méthodes d'essai DK sont utilisées sur le même matériau, même si ces méthodes d'essai sont exactes. Comme les matériaux de carte sont de plus en plus utilisés pour les fréquences millimétriques, telles que la 5G et les systèmes avancés d'aide à la conduite, il est important de comprendre comment DK change avec la fréquence et quelle méthode de test DK est « appropriée».

Bien que des organisations telles que l'IEEE et l'IPC aient des comités dédiés pour discuter de cette question, il n'existe pas de meilleure méthode de test standard de l'industrie pour mesurer le DK des matériaux de carte à des fréquences d'ondes millimétriques. Ce n'est pas à cause d'un manque de méthodes de mesure. En effet, un article de référence publié par Chen et al. 1 décrit plus de 80 méthodes de mesure de DK, mais aucune n'est idéale. Chaque méthode a ses avantages et ses inconvénients, en particulier dans la gamme de fréquences de 30 à 300 GHz.

Il existe généralement deux types de méthodes de test pour déterminer DK ou DF (tangente d'angle de perte ou îlot de Tan) d'un matériau de carte: C'est - à - dire mesurer une matière première ou mesurer un circuit en matériau. Les tests basés sur les matières premières reposent sur des appareils et des équipements de test fiables et de haute qualité qui permettent d'obtenir les valeurs DK et DF en testant directement les matières premières. Les tests basés sur des circuits utilisent généralement des circuits communs et extraient des paramètres matériels des performances du circuit, par exemple pour mesurer la fréquence centrale ou la réponse en fréquence d'un résonateur. Les méthodes d'essai des matières premières introduisent généralement des incertitudes liées aux pinces d'essai ou à l'équipement d'essai, tandis que les méthodes d'essai des circuits comprennent des incertitudes quant à la conception du circuit testé et à la technologie de traitement. Étant donné que les deux méthodes sont différentes, les résultats de mesure et les niveaux de précision ne sont généralement pas cohérents.

Par exemple, la méthode d'essai de bande de cerclage en bande X définie par l'IPC est une méthode d'essai de matière première dont les résultats ne peuvent pas être cohérents avec les résultats DK d'un essai de circuit pour le même matériau. La méthode de test des matières premières de la ligne à ruban est de serrer deux morceaux de matériau testé (mut) dans une pince de test dédiée pour construire un résonateur de ligne à ruban. Il y aura de l'air entre le matériau testé et le circuit mince du résonateur dans la pince de test, et la présence d'air réduit le DK mesuré. Si le test de circuit est effectué sur le même matériau de carte, le DK mesuré est différent car il n'y a pas d'air entraîné. Pour un matériau de carte à haute fréquence avec une tolérance de DK de ± 0050 déterminée par un test de matière première, un test de circuit obtiendra une tolérance d'environ ± 0075. Le matériau de carte est anisotrope et a généralement des valeurs de DK différentes sur les trois axes du matériau. Les valeurs de DK diffèrent généralement peu entre les axes X et y, de sorte que pour la plupart des matériaux à haute fréquence, l'anisotropie DK se réfère généralement à la comparaison de DK entre l'axe Z et le plan X - y. En raison de l'Anisotropie du matériau, DK mesuré sur l'axe Z est différent de DK sur le plan X - y pour le même matériau à tester, bien que la méthode d'essai et la valeur de DK obtenue par l'essai soient "correctes". Le type de circuit utilisé pour l'essai de circuit affecte également la valeur de DK mesurée. Deux types de circuits de test sont généralement utilisés: une structure résonante et une structure de transmission / réflexion. Les structures résonantes fournissent généralement des résultats à bande étroite, tandis que les tests de transmission / réflexion fournissent généralement des résultats à large bande. Les méthodes utilisant des structures résonantes sont généralement plus précises.

Exemple de méthode d'essai un exemple typique d'essai de matières premières est la méthode du ruban pincé en bande X. Utilisé depuis de nombreuses années par les fabricants de cartes haute fréquence, c'est un moyen fiable de déterminer DK et DF (îlot de Tan) sur l'axe Z du matériau de la carte. Il utilise une pince pour former un résonateur à ruban à couplage lâche pour l'échantillon de matériau à tester. Le facteur de qualité de mesure (q) du résonateur est Q à vide, de sorte que l'étalonnage du câble, du connecteur et de la pince a peu d'impact sur le résultat final de la mesure. Avant le test, la carte de circuit revêtue de cuivre doit être gravée avec toutes les feuilles de cuivre et seuls les substrats de matière première diélectrique sont testés. Les matières premières du circuit sont coupées à une certaine taille dans certaines conditions environnementales et placées dans des pinces de chaque côté du circuit résonant (voir figure 1).

Le résonateur est conçu comme un résonateur demi - longueur d'onde à une fréquence de 2,5 GHz, donc une quatrième fréquence de résonance de 10 GHz, qui est le point de résonance couramment utilisé pour les mesures DK et DF. Vous pouvez utiliser un point de résonance plus bas et une fréquence de résonance plus élevée, ou même une cinquième fréquence de résonance plus élevée, mais les points de résonance plus élevés sont généralement évités en raison de l'influence des harmoniques et des ondes parasites. On mesure et on extrait DK, ou permittivité relative, où N est le nombre de points de fréquence de résonance, c La vitesse de la lumière dans l'espace libre, fr la fréquence centrale de résonance et l'îlot l compense l'étalement de longueur électrique provoqué par le champ électrique dans l'intervalle de couplage. Il est également simple d'extraire Tan Island (DF) de la mesure, c'est - à - dire les pertes liées à la bande passante de 3 DB du pic de résonance moins les pertes de conducteur associées au circuit résonant (1 / QC). Bien que ces formules soient approximatives, elles sont utiles pour déterminer la valeur initiale de DK. Un DK plus précis peut être obtenu avec un solveur de champ électromagnétique et un dimensionnement précis du circuit du résonateur. L'utilisation d'un résonateur à couplage libre pour mesurer DK et DF minimise les effets de charge du résonateur. Si les pertes d'insertion au pic de résonance sont inférieures à 20 DB, on peut considérer qu'il s'agit d'un couplage lâche. Dans certains cas, les pics de résonance peuvent ne pas être mesurés en raison d'un couplage extrêmement faible. Cela se produit généralement dans les circuits résonnants plus minces. Les matériaux de circuit plus minces sont généralement utilisés pour les applications à ondes millimétriques, car plus la fréquence est élevée, plus la longueur d'onde est courte et plus la taille du circuit est petite.