Технология PCB - Методы испытаний для определения DK и DF материалов печатных плат

Dk - это диэлектрическая проницаемость, обозначаемая εr, а Df - коэффициент потерь, обозначаемый Tan δ. Существует множество различных методов испытаний для определения Dk и Df материала схемы. Например, IPC предлагает 12 методов испытаний для определения Dk материала, а промышленные организации, университеты или компании также имеют свои собственные методы испытаний. 

В одной книге, посвященной характеристике материалов для СВЧ-излучения, описано более 80 методов испытаний для определения Dk и Df материала для микросхем.В конечном счете, ни один метод испытаний не является совершенным, и инженеры-электронщики должны использовать тот метод испытаний, который наилучшим образом отражает форму схемы их изделия.Теперь мы объясним методы определения Dk и Df материалов печатных плат и представим некоторые распространенные методы определения Dk и Df.

Методы испытаний материалов

Методы тестирования материалов высокочастотных цепей можно разделить на две основные категории: методы тестирования на основе исходного материала и методы тестирования на основе схемы. Методы тестирования на основе исходного материала обычно используют приборы для оценки диэлектрических свойств исходного материала. Этот тип метода тестирования оценивает только характеристики исходного материала и не учитывает параметры обработки схемы. Методы тестирования на основе схем используют несущую схему и выбирают из Dk (а иногда и Df) в зависимости от характеристик тестируемой схемы. Поскольку точность метода испытаний на основе материалов зависит от параметров оборудования, а метода испытаний на основе схем - от параметров обработки схемы, значения Dk/Df, полученные с помощью этих двух различных типов методов испытаний, могут отличаться.

метод испытаний позволяет получить значения Dk/Df для различных ориентаций материала в зависимости от ориентации электрического поля. Некоторые методы испытаний проверяют значения Dk/Df по оси Z (ось толщины), в то время как другие проверяют значения Dk/Df в плоскости X-Y. Большинство материалов для печатных плат, используемых в производстве печатных плат, являются анизотропными, т.е. Dk/Df различаются в каждом направлении измерения. В результате, если образец одного и того же материала подвергнуть испытанию с использованием двух разных методов, могут быть получены разные значения Dk, но оба значения будут правильными. Если материал анизотропен, то при испытании одного и того же материала одним методом вычисляется значение Dk по оси Z, а другим - значение Dk в плоскости X-Y, поэтому два разных метода испытаний дадут разные значения Dk.

Другие факторы, которые необходимо учитывать при проведении испытаний, включают дисперсию материала, шероховатость поверхности медной фольги и использование технологии пропускания/отражения. Дисперсия присуща всем материалам, что означает, что Dk будет меняться в зависимости от частоты. Это означает, что при использовании одного и того же метода испытания для одного и того же материала, но с разной частотой, значение Dk будет отличаться. Как правило, с увеличением частоты значение Dk немного уменьшается.

Независимо от значения Dk исходного диэлектрического материала, шероховатость поверхности медной фольги замедлит распространение сигнальной волны. Более низкая скорость распространения сигнала через диэлектрик может рассматриваться как более высокое значение Dk для диэлектрика. Некоторые методы испытаний чувствительны к шероховатости поверхности медной фольги, в то время как другие - нет.

Наконец, общепризнано, что методы испытаний с использованием резонанса, как правило, более точны, чем методы, использующие пропускание/отражение. Метод испытаний с использованием резонанса, как правило, более точен, но обычно позволяет проверить результаты Dk только на одной или нескольких дискретных частотах. Метод передачи/отражения дает изменение Dk в зависимости от частоты в широком диапазоне частот.

Широко используемый диэлектрический тестер DK

Каковы некоторые распространенные методы испытаний DK/DF, используемые в производстве печатных плат?

1, IPC-TM-650 2.5.5.5c определенный метод испытания ленточного резонатора с зажимом в X-диапазоне

После изготовления ламината медная фольга удаляется, и только образец диэлектрического материала помещается в приспособление для тестирования. Приспособление имеет очень тонкую резонаторную пластину в центре, с плоскостями заземления по обе стороны от пластины. Исследуемый материал (MUT) помещается между пластиной резонатора и плоскостью заземления. Когда крепежные элементы прижимаются друг к другу с помощью давления, крепежные элементы и испытуемый материал образуют радиочастотную структуру диапазона "земля-сигнал-земля", более конкретно, структуру "земля-сигнал-земля-земля". Этот метод испытаний позволяет оценить Dk и Df по оси Z материала в нескольких дискретных частотных точках, начиная с 2,5 ГГц и заканчивая примерно 12,5 ГГц. Однако, как правило, метод тестирования оценивает только относительно более точные точки на частоте 10 ГГц.

Одним из недостатков этого метода испытаний является то, что измеренное значение Dk иногда немного ниже значения Dk материала из-за проблемы с задержкой воздуха внутри приспособления (значение Dk воздуха составляет около 1). Другая проблема заключается в том, что, когда испытуемый материал сильно анизотропен (Dk не одинакова по всем трем осям), резонансные пики могут изменяться, что снижает точность измеренного Dk. Часто это не вызывает беспокойства, если только некоторые материалы не имеют высокого номинального значения Dk (например, Dk больше 6). Материалы с более низкими номинальными значениями Dk обычно менее анизотропны. В целом, это отличный метод испытаний в больших объемах, который производители материалов для схем могут использовать для тестирования Dk / Df, чтобы обеспечить стабильные характеристики своих материалов.

2. Метод испытания раздельного цилиндрического резонатора, определенный в IPC-TM-650 2.5.5.13

Этот метод испытаний предназначен для цилиндрического резонатора, который, как следует из названия, является раздельным и может включаться и выключаться. После изготовления ламината вся медная фольга удаляется путем травления, а тестируемый материал (MUT) помещается между разъемными цилиндрическими резонаторами и выключается для тестирования. Резонатор имеет несколько различных резонансных пиков, которые пользователь может выбрать для оценки Dk и Df, но эти разные резонансные пики имеют разные частоты. Метод тестирования определяет Dk/Df в плоскости X-Y материала, а не в направлении оси Z. Кроме того, этот метод испытаний также может быть использован с методом линейных испытаний с зажатой полосой (метод по оси Z) для измерения Dk/Df с одинаковой частотой, поэтому, если один и тот же материал оценивается с использованием этих двух методов испытаний, сравнение соответствующих данных может быть использовано для определения анизотропных свойств от мутации испытуемого материала. Стоит отметить, что если материал анизотропен, то один и тот же материал, испытанный с помощью зажатой ленточной линии, будет иметь другое значение Dk, чем у раздельного цилиндрического резонатора.

3. Методы испытаний микрополоскового кольцевого резонатора

Это метод испытания, основанный на схеме, в котором кольцевой резонаторный контур сконструирован таким образом, чтобы он действовал как тестовый носитель на исследуемый материал. Кольцевой резонатор обычно соединен с кольцевым резонаторным контуром (кольцо выглядит как очень узкое кольцо) посредством линии передачи с разомкнутой цепью 50 Ом, действующей в качестве линии питания для передачи радиочастотного сигнала в резонаторный контур. Зазор между двумя питающими линиями и тороидальным резонатором имеет решающее значение, и изменения площади зазора могут привести к неправильному выбору Dk. Кроме того, если завершенный контур, резонирующий с кольцом, имеет более толстое медное покрытие, чем контур кольцевого резонатора той же конструкции, выполненный из того же материала, но с более тонким слоем меди, то область зазора в контуре с более толстым покрытием будет иметь большее электрическое поле в воздухе, вызывая резонансные пики быть сдвинутым с места. Из-за разницы в покрытии медью значения Dk для выбранных схем будут разными, а значения Dk для оцениваемых материалов будут неточными. Изменения зазора в соединении и толщины меди являются нормальными параметрами обработки схемы, и при тестировании на основе этой резонансной контурной схемы это должно учитываться, но при тестировании большинства материалов эта переменная отсутствует. Толщина медного покрытия является естественной и присущей печатной плате переменной величиной, и при использовании метода кольцевого резонатора эта разница в толщине может привести к неточным результатам теста постоянного тока. Предполагая, что инженер понимает проблему толщины меди и то, как она влияет на процесс выбора Dk, эти переменные можно исключить, чтобы найти правильное значение Dk для материала. Кроме того, на этот метод тестирования также влияет шероховатость поверхности медной фольги, в то время как на первые два теста шероховатость не влияет. Кольцевой резонатор оценивает значение Dk материала в направлении оси Z.

Инженерам-электронщикам важно понимать различия между методами тестирования материалов, особенно при сравнении значений Dk и Df в таблицах материалов. Если конкретное значение DK/DF уже есть в справочнике, важно указать используемый метод тестирования. В идеале лучше всего сравнивать данные DK/DF, используя один и тот же метод тестирования и с одинаковой частотой. Когда это не всегда возможно, рекомендуется сравнивать данные DK/DF примерно с одинаковой частотой при использовании различных методов тестирования для оценки DK в направлении оси Z.

Что еще более важно, когда инженер-электронщик сравнивает таблицы материалов или оценивает характеристики материалов DK/DF для использования в новой конструкции, рекомендуется проконсультироваться с производителем материалов, чтобы понять методы испытаний DK и DF, которые использовались для получения важных данных в таблицах материалов.