表征PCB材料特性的不同測試電路的差異

引言

高頻電路材料的電氣特性可以有許多不同的方式來表征。例如，有些方法是采用夾具對原介質(zhì)材料直接進行表征，而有些則是采用電路形式來進行。材料數(shù)據(jù)手冊中的Dk和Df通常是采用夾具的方式得到的結(jié)果。然而，當比較電路測試的結(jié)果時，有時發(fā)現(xiàn)利用夾具測試法得到的Dk結(jié)果與利用電路法得到的Dk結(jié)果不同。

造成此差異的原因各不相同，需要具體情況具體分析。一般來說，與電路測試法相比，夾具測試不會有影響Dk提取的諸多變量。而在使用電路測試時，Dk的提取將受到PCB制造工藝的各個方面的影響，如導線寬度控制、銅厚度變化、最終表面處理和銅箔表面粗糙度等。典型的夾具測試方法不會存在這些變量，但它可能會受到夾帶空氣、夾具對準度、耦合差異以及夾具部件加工公差等的影響。

另外，施加到被測材料的電磁場可能會隨著測試方法的不同而有所差異。在評估各向異性材料時，不同的場的方向可能也會產(chǎn)生問題。PCB行業(yè)中所用的大部分材料都是各向異性的，這意味著材料在三個軸向上的Dk都是不同的。

如果所表征的電氣特性與大批量生產(chǎn)的PCB有關(guān)，那么最佳的測試方法和樣品應將是最接近大批量實際電路的測試方法和樣品形式。如果電氣特性表征是一個需考慮各種不同電路材料以用于未來不同項目的評估，那么最好對所有材料均采用同一固定測試法。如果所采用的測試方法相同，且已充分了解，那么對于被測材料來說則相對公正。然而，由于不同的電路材料的電路制造工藝有不同的工藝需求，所以利用相同電路測試法來評估不同的電路材料可能不是一個很好的比較。

電路測試方法有許多不同的方案和電路形式，其中比較常見的電路形式包括如諧振器、不同長度的傳輸線、貼片天線、180度混合耦合器、以及延遲線等等。

環(huán)形諧振器電路多年前就被用于PCB材料的電氣特性評估和表征，且取得了好的結(jié)果。但是在過去幾年里，隨著毫米波（mmWave）頻率應用的增多，使用環(huán)形諧振器測試電路來準確評估毫米波頻段下的PCB材料電氣特性已經(jīng)有一些困難了。在理解這種差異時，波長是理解這一問題的簡單切入點。低頻時，波長較大；而毫米波頻率下，波長很小，波的傳播對于電路異?，F(xiàn)象更敏感，從而產(chǎn)生射頻干擾。對于電路制造來說，這些小的電路異?，F(xiàn)象均是正常的，在低頻時則不會造成任何射頻性能差異，而在毫米波頻段下則會出現(xiàn)差異。

許多環(huán)形諧振器都是通過間隙耦合的。間隙耦合的差異也會影響環(huán)形諧振器的中心頻率，從而影響Dk的提取精度。間隙所導致的射頻差異通常與蝕刻以及銅的厚度變化有關(guān)。例如在毫米波頻段下，同一環(huán)形諧振器設計的不同制造時間的兩個電路，如果一個電路的銅厚要比另一個更厚，那么銅厚較厚的電路中空氣內(nèi)的邊緣場密度更大?？諝獾腄k極低，空氣內(nèi)場密度越大，自然會降低提取值的Dk。但此時這個Dk值并不是電路材料的特性，而是與電路制造工藝相關(guān)的。此外，蝕刻的導體的梯形狀及其不同電路的導體梯形狀的正常變化，也將由于場密度變化而影響射頻性能。但是，在低頻率時這種由于耦合而產(chǎn)生的差異并不明顯。

對PCB材料電氣特性評估或表征時，還需要考慮銅箔表面粗糙度的影響。這里的銅箔表面粗糙度是指制作層壓板時基板和銅箔相結(jié)合處的銅箔表面。當銅箔較粗糙時，就會減慢波的傳播而改變射頻性能。同一類型的銅箔表面粗糙度也不是固定不變的，正常情況下不同批次之間的其粗糙度也是不同的。對于微帶環(huán)形諧振器來說，由于這種正常的粗糙度變化的影響，信號層平面的銅箔粗糙度與地平面的也可能不同。相對而言，低頻率下的銅箔粗糙度引起的差異不太明顯；然而對于高頻率下所使用的測試樣品或電路來說，銅箔粗糙度及其變化則是另一個需考慮的問題。

有許多測試方法和測試電路形式均可用于評估和表征高頻PCB電路材料的特性。設計人員應聯(lián)系材料供應商咨詢所公布的Dk值的獲取方式，以及詢問特定射頻設計適用的評估和測試方法建議。