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(lái)表征。例如，有些方法是采用夾具對原介質(zhì)材料直接進(jìn)行表征，而有些則是采用電路形式來(lái)進(jìn)行。材料數據手冊中的Dk和Df通常是采用夾具的方式得到的結果。然而，當比較電路測試的結果時(shí)，有時(shí)發(fā)現利用夾具測試法得到的Dk結果與利用電路法得到的Dk結果不同。

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(lái)說(shuō)，與電路測試法相比，夾具測試不會(huì )有影響Dk提取的諸多變量。而在使用電路測試時(shí)，Dk的提取將受到PCB制造工藝的各個(gè)方面的影響，如導線(xiàn)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(huì )存在這些變量，但它可能會(huì )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(chǎng)可能會(huì )隨著(zhù)測試方法的不同而有所差異。在評估各向異性材料時(shí)，不同的場(chǎng)的方向可能也會(huì )產(chǎn)生問(wèn)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(zhù)材料在三個(gè)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(shí)際電路的測試方法和樣品形式。如果電氣特性表征是一個(gè)需考慮各種不同電路材料以用于未來(lái)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(lái)說(shuō)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(lái)評估不同的電路材料可能不是一個(gè)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(jiàn)的電路形式包括如諧振器、不同長(cháng)度的傳輸線(xiàn)、貼片天線(xiàn)、180度混合耦合器、以及延遲線(xiàn)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，且取得了好的結果。但是在過(guò)去幾年里，隨著(zhù)毫米波（mmWave）頻率應用的增多，使用環(huán)形諧振器測試電路來(lái)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(shí)，波長(cháng)是理解這一問(wèn)題的簡(jiǎn)單切入點(diǎn)。低頻時(shí)，波長(cháng)較大；而毫米波頻率下，波長(cháng)很小，波的傳播對于電路異?，F象更敏感，從而產(chǎn)生射頻干擾。對于電路制造來(lái)說(shuō)，這些小的電路異?，F象均是正常的，在低頻時(shí)則不會(huì )造成任何射頻性能差異，而在毫米波頻段下則會(huì )出現差異。

許多環(huán)形諧振器都是通過(guò)間隙耦合的。間隙耦合的差異也會(huì )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(shí)間的兩個(gè)電路，如果一個(gè)電路的銅厚要比另一個(gè)更厚，那么銅厚較厚的電路中空氣內的邊緣場(chǎng)密度更大?？諝獾腄k極低，空氣內場(chǎng)密度越大，自然會(huì )降低提取值的Dk。但此時(shí)這個(gè)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(chǎng)密度變化而影響射頻性能。但是，在低頻率時(shí)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(shí)，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(shí)基板和銅箔相結合處的銅箔表面。當銅箔較粗糙時(shí)，就會(huì )減慢波的傳播而改變射頻性能。同一類(lèi)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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，銅箔粗糙度及其變化則是另一個(gè)需考慮的問(wèn)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(xún)所公布的Dk值的獲取方式，以及詢(xún)問(wèn)特定射頻設計適用的評估和測試方法建議。