Technologie PCB - Constante diélectrique du PCB à la fréquence millimétrique

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 actuellement aucune 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 pour tester DK, mais aucune n'est idéale. Chacune de ces méthodes présente ses avantages et inconvénients, notamment dans la gamme de fréquences de 30 à 300 GHz.

Essai de circuit et essai de matière première

Il existe généralement deux principaux types de méthodes de test utilisées pour déterminer DK ou DF (tangente d'angle de perte ou îlot de Tan) d'un matériau de carte: la mesure de la matière première, ou la mesure dans 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 liées à la conception des circuits d'essai et aux techniques 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 (mut) 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 PCB, le DK mesuré est différent du DK sans entraînement d'air. Pour un matériau de carte à haute fréquence avec une tolérance DK de ± 0050 déterminée par un test de matière première, un test de circuit obtiendra une tolérance d'environ ± 0075.

Les matériaux de la carte sont anisotropes et ont généralement des valeurs 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, la mesure DK sur l'axe Z est différente de DK sur le plan XY pour le même matériau testé (mut), bien que la méthode d'essai et la valeur mesurée DK soient toutes deux « correctes».

Le type de circuit utilisé pour le test de circuit affecte également la valeur DK dans le test. 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.

Exemples de méthodes de test

Un exemple typique de test de matières premières est la méthode de la bande X à ruban pincé. Utilisé depuis de nombreuses années par les fabricants de PCB haute fréquence, c'est un moyen fiable de déterminer DK et DF (Tan isla´) sur l'axe Z du matériau de la carte. Il utilise une pince pour que l'échantillon de matériau testé (mut) forme un résonateur à ruban faiblement couplé. 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'influence 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.