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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, attualmente non esiste un 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 per testare Dk. Tuttavia, nessun metodo è ideale. Ogni metodo ha i suoi vantaggi e svantaggi, soprattutto nella gamma di frequenze da 30 a 300 GHz.
Prova del circuito vs. prova della materia prima
Di solito ci sono due tipi principali di metodi di prova utilizzati per determinare la Dk o Df (tangente di perdita o tanδ) dei materiali del circuito: la misura della materia prima o la misura in un circuito fatto di 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 di prova e dalla tecnologia di elaborazione. 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 suo 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 (MUT) 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 PCB, il Dk misurato è diverso da quello senza ingresso dell'aria. Per i materiali ad alta frequenza del circuito stampato con una tolleranza Dk di ±0.050 determinata dalla prova della materia prima, la prova 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 in prova (MUT), il Dk misurato sull'asse z è diverso dal Dk sul piano xy, sebbene il metodo di prova e il valore Dk misurato siano entrambi "corretti".
Il tipo di circuito utilizzato per i test del circuito influisce anche sul valore di Dk in prova. 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 prova
Un tipico esempio di test sulle materie prime è il metodo a stripline a banda X. È stato utilizzato dai produttori di PCB 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 fare il campione del materiale sotto prova (MUT) formare un risonatore stripline liberamente accoppiato. 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.
