Substrato IC - Caratterizzazione dei materiali del circuito stampato alla frequenza d'onda millimetrica

La costante dielettrica (Dk) o costante dielettrica relativa del materiale del circuito stampato PCB non è una costante costante, anche se sembra una costante dal suo nome. Ad esempio, il Dk di un materiale cambia con la frequenza. Analogamente, se sullo stesso materiale vengono utilizzati metodi di prova Dk diversi, si possono misurare valori Dk diversi, anche se questi metodi di prova sono accurati. Poiché i materiali del circuito stampato sono sempre più utilizzati nelle frequenze d'onda millimetriche, come 5G e sistemi avanzati di assistenza alla guida, è molto importante capire la variazione di Dk con frequenza e quale metodo di prova Dk è "appropriato".

Anche se organizzazioni come IEEE e IPC hanno comitati dedicati per discutere questo problema, non esiste il miglior metodo di test standard del settore per misurare il Dk dei materiali del circuito stampato alle frequenze d'onda millimetriche. Ciò non è dovuto alla mancanza di metodi di misurazione. Infatti, un documento di riferimento pubblicato da Chen et al. 1 ha descritto più di 80 metodi di misurazione Dk. Tuttavia, nessun metodo è ideale. Ogni metodo ha i suoi vantaggi e svantaggi, specialmente nella gamma di frequenze da 30 a 300 GHz.

Esistono generalmente due tipi di metodi di prova utilizzati per determinare la Dk o Df (tangente di perdita o tanδ) dei materiali dei circuiti stampati: cioè, la misurazione delle materie prime o dei circuiti di misura realizzati con materiali. I test basati sulle materie prime si basano su dispositivi e attrezzature di prova affidabili e di alta qualità e i valori Dk e Df possono essere ottenuti testando direttamente le materie prime. I test basati su circuiti utilizzano solitamente circuiti comuni ed estraggono i parametri materiali dalle prestazioni del circuito, come la misurazione della frequenza centrale o della risposta in frequenza di un risonatore. I metodi di prova delle materie prime di solito introducono incertezze relative ai dispositivi di prova o ai dispositivi di prova, mentre i metodi di prova del circuito includono incertezze dalla progettazione del circuito e dalla tecnologia di elaborazione in prova. Poiché questi due metodi sono diversi, i risultati delle misurazioni e i livelli di precisione sono solitamente incoerenti.

Ad esempio, il metodo di prova della stripline a banda X definito da IPC è un metodo di prova della materia prima e il risultato non può essere coerente con il risultato Dk della prova del circuito dello stesso materiale. Il metodo di prova della materia prima stripline di tipo di serraggio è quello di bloccare due pezzi di materiale sotto prova (MUT) in un dispositivo di prova speciale per costruire un risonatore stripline. Ci sarà aria tra il materiale in prova e il circuito sottile del risonatore nel dispositivo di prova e la presenza di aria ridurrà il Dk misurato. Se la prova del circuito è eseguita sullo stesso materiale del circuito stampato, il Dk misurato è diverso perché non c'è aria entrata. Per i materiali del circuito stampato ad alta frequenza con una tolleranza Dk di ±0.050 determinata dalla prova della materia prima, il test del circuito otterrà una tolleranza di circa ±0.075. Il materiale del circuito stampato è anisotropico e di solito ha valori Dk differenti sui tre assi materiali. Il valore Dk di solito ha una piccola differenza tra l'asse x e l'asse y, quindi per la maggior parte dei materiali ad alta frequenza, l'anisotropia Dk di solito si riferisce al confronto Dk tra l'asse z e il piano x-y. A causa dell'anisotropia del materiale, per lo stesso materiale da testare, il Dk misurato sull'asse z è diverso dal Dk sul piano x-y, anche se il metodo di prova e il valore Dk ottenuti dalla prova sono entrambi "corretti". Il tipo di circuito utilizzato per i test di circuito influisce anche sul valore Dk misurato. Generalmente, sono utilizzati due tipi di circuiti di prova: struttura risonante e struttura di trasmissione/riflessione. Le strutture risonanti di solito forniscono risultati a banda stretta, mentre i test di trasmissione/riflessione di solito forniscono risultati a banda larga. Il metodo di utilizzo di una struttura risonante è generalmente più accurato.

Esempi di metodi di testoUn esempio tipico di test sulle materie prime è il metodo a stripline a banda X. È stato utilizzato dai produttori di circuiti stampati ad alta frequenza per molti anni ed è un metodo affidabile per determinare il Dk e Df (tanδ) nell'asse z del materiale del circuito stampato. Utilizza un dispositivo di bloccaggio per formare un risonatore stripline liberamente accoppiato per il campione di materiale da testare. Il fattore di qualità misurato (Q) del risonatore è Q senza carico, quindi la calibrazione del cavo, del connettore e del dispositivo hanno poco effetto sul risultato finale della misurazione. Il circuito stampato rivestito in rame deve essere inciso su tutto il foglio di rame prima della prova e solo il substrato dielettrico della materia prima viene testato. Le materie prime del circuito sono tagliate in una certa dimensione in determinate condizioni ambientali e poste nei morsetti su entrambi i lati del circuito del risonatore (vedi Figura 1).

Il risonatore è progettato come un risonatore di mezza lunghezza d'onda con una frequenza di 2,5 GHz, quindi la quarta frequenza di risonanza è 10 GHz, che è un punto di risonanza comunemente usato per le misurazioni Dk e Df. È possibile utilizzare un punto di risonanza più basso e una frequenza di risonanza - anche una quinta frequenza di risonanza più alta può essere utilizzata, ma a causa dell'influenza di armoniche e onde spurie, un punto di risonanza più alto è solitamente evitato. Misurare ed estrarre Dk o permisivitàrelativa Dove n è il numero di punti di frequenza di risonanza, c è la velocità della luce nello spazio libero, fr è la frequenza centrale di risonanza e ΔL compensa l'estensione della lunghezza elettrica causata dal campo elettrico nello spazio di accoppiamento. È anche molto semplice estrarre tanδ (Df) dalla misura, che è la perdita legata alla larghezza di banda 3dB del picco di risonanza meno la perdita del conduttore (1/QC) relativa al circuito del risonatore. Sebbene approssimative, queste formule sono utili per determinare il valore iniziale Dk. Utilizzando il risolutore di campo elettromagnetico (EM) e la dimensione accurata del circuito del risonatore può ottenere Dk più accurata. Se la perdita di inserimento al picco di risonanza è inferiore a 20 dB, può essere considerata come accoppiamento allentato. In alcuni casi, il picco di risonanza potrebbe non essere misurato a causa dell'accoppiamento estremamente debole. Questo di solito si verifica in circuiti risonanti più sottili. I materiali del circuito più sottili sono comunemente utilizzati nelle applicazioni dell'onda millimetrica perché più alta è la frequenza, più breve è la lunghezza d'onda e più piccola è la dimensione del circuito.