PCB-Technologie - Die dielektrische Konstante der Leiterplatte bei Millimeterwellenfrequenz

The dielectric constant (Dk) or relative dielectric constant of the 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. Da Leiterplattenmaterialien zunehmend in Millimeterwellenfrequenzen eingesetzt werden, 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 spezielle Gremien haben, um dieses Thema zu diskutieren, gibt es derzeit keine Standard-Industrie-Testmethode, um den Dk von Leiterplattenmaterialien bei Millimeterwellenfrequenzen zu messen. Dies liegt nicht am Fehlen von Messmethoden. In einem von Chen et al. 1 veröffentlichten Referenzpapier wurden mehr als 80-Methoden zum Testen von Dk beschrieben. Allerdings ist keine einzige Methode ideal. Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile, insbesondere im Frequenzbereich von 30 bis 300 GHz.

Kreislaufprüfung vs. Rohstoffprüfung

Für die Bestimmung des Dk oder Df (Verlusttangens oder Tanδ) von Leiterplattenmaterialien gibt es in der Regel zwei Hauptarten von Prüfmethoden: die Rohstoffmessung oder die Messung in einem Kreislauf aus Materialien.

Rohstoffbasierte Prüfung setzt auf hochwertige und zuverlässige Prüfvorrichtungen und -geräte, und Dk- und Df-Werte können durch direkte Prüfung von Rohstoffen ermittelt werden. Schaltungsbasierte Tests verwenden übliche Schaltkreise und extrahieren Materialparameter aus der Schaltungsleistung, z. B. Messung der Mittenfrequenz oder des Frequenzgangs eines Resonators. Rohstoffprüfverfahren führen in der Regel zu Unsicherheiten im Zusammenhang mit Prüfvorrichtungen oder Prüfvorrichtungen, Während Schaltungsprüfungsmethoden Unsicherheiten aus dem Prüfkreisdesign und der Verarbeitungstechnik beinhalten. Weil diese beiden Methoden unterschiedlich sind, Die Messergebnisse und Genauigkeitsstufen sind in der Regel inkonsistent.

Zum Beispiel, Das von IPC definierte X-Band-Klemmstripline-Prüfverfahren ist ein Rohstoffprüfverfahren, und sein 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. There will be air between the material under test (MUT) and the thin resonator circuit in the test fixture, und die Anwesenheit von Luft verringert die gemessene Dk. Wenn der Schaltungstest an derselben Stelle durchgeführt wird Leiterplattenmaterial, Der gemessene Dk unterscheidet sich von dem ohne Lufteinschluss. Für hochfrequente Leiterplattenmaterialien mit einer Dk Toleranz von ±0.050 durch die Rohstoffprüfung ermittelt, Der Schaltungstest erhält eine Toleranz von etwa ±0.075.

Das Leiterplattenmaterial ist anisotrop und weist in der Regel unterschiedliche Dk-Werte auf den drei Materialachsen auf. Der Dk-Wert hat normalerweise einen kleinen Unterschied zwischen der x-Achse und der y-Achse, so dass Dk-Anisotropie für die meisten hochfrequenten Materialien normalerweise den Dk-Vergleich zwischen der z-Achse und der x-y-Ebene bezieht. Aufgrund der Anisotropie des Materials unterscheidet sich der gemessene Dk auf der z-Achse von dem Dk auf der xy-Ebene, obwohl das Prüfverfahren und der gemessene Dk-Wert beide "korrekt" sind.

Die Art der Schaltung, die für die Schaltungstests verwendet wird, beeinflusst auch den Wert des zu prüfenden Dk. Im Allgemeinen werden zwei Arten von Testkreisen verwendet: Resonanzstruktur und Übertragungs-/Reflexionsstruktur. Resonanzstrukturen liefern normalerweise schmalbandige Ergebnisse, während Transmissions-/Reflexionstests normalerweise Breitbandergebnisse liefern. Die Methode der Verwendung einer Resonanzstruktur ist im Allgemeinen genauer.

Beispiele für Prüfmethoden

Ein typisches Beispiel für die Rohstoffprüfung ist das X-Band Clamp Stripline Verfahren. Es wurde verwendet von Hochfrequenz-Leiterplatte manufacturers for many years and is a reliable method to determine the Dk and Df (tanδ) in the z-axis of the circuit board material. It uses a clamping fixture to make the material under test (MUT) sample form a loosely coupled stripline resonator. The measured quality factor (Q) of the resonator is no-load Q, so das Kabel, Steckverbinder- und Vorrichtungskalibrierung haben wenig Einfluss auf das Endergebnis. Die kupferplattierte Leiterplatte muss vor der Prüfung von der gesamten Kupferfolie geätzt werden, und nur das dielektrische Rohstoffsubstrat wird geprüft. Die Schaltungsrohstoffe werden unter bestimmten Umgebungsbedingungen auf eine bestimmte Größe geschnitten und beidseitig in die Klemmen des Resonatorkreislaufs gelegt.