确定电路材料Dk和Df的测试方法

确定电路材料的Dk（介电常数，εr）和Df（损耗因数，Tanδ）的测试方法多种多样，比如IPC有12种确定材料Dk的测试方法，行业组织、大学或企业也有各自的测试方法。我有一本关于微波材料特性的书籍中介绍了80多种评估电路材料Dk和Df的测试方法。归根结底，没有一种测试方法是完美的，工程师应该采用最能呈现出其产品电路形式的测试方法。本文将概述电路PCB材料的测试方法，以及介绍一些常用的确定Dk和Df的测试方法。

材料测试方法

测试高频电路材料的方法总的可以分为基于原材料测试方法和基于电路的测试方法两大类。基于原材料测试方法通常使用夹具来评估介质原材料特性。这类测试方法仅仅评估原材料的特性，而不包含电路加工变量。基于电路的测试方法利用电路载体，根据测试的电路性能提取得到Dk（有时也提取Df）。由于基于材料的测试方法的精度取决于夹具变量，而基于电路的测试方法取决于电路加工的变量，因此，通过这两种不同类型测试方法得到的Dk/Df值可能并不相同。

同时，测试方法将根据电场朝向的不同得到不同方向维度的材料的Dk/Df值。有些测试方法测试Z轴（厚度轴）的Dk/Df值，而有些测试方法则是X-Y平面的Dk/Df值。PCB行业中使用的大多数电路材料都是各向异性的，即在每个方向维度上的Dk/Df都是不同的。因此，如果使用两种不同的测试方法测试同一个材料样品，可能获得不同的Dk值，但这两个值都是正确的。如果材料是各向异性的，在测试相同材料时，一种方法评估的是材料的Z轴的Dk值，而另一种方法评估X-Y平面的Dk值，因此，两种不同测试方法会测得不同的Dk值。

测试方法也需考虑的其他因素包括如材料色散、铜箔表面粗糙度以及传输/反射技术的使用等。所有材料都有色散，这意味着Dk将随频率的变化而变化。因此，如果对同一材料使用相同的测试方法，但测试频率不同，Dk值也会存在差异。总的说来，随着频率的增加，Dk值将略微减小。

无论原介质材料Dk值大小，铜箔表面粗糙度都会减慢信号的波的传播。信号在介质中传播速率较慢的可以视为介质具有更高的Dk值。一些测试方法对铜箔表面粗糙度敏感，而一些测试方法则不敏感。

最后，普遍认为，使用谐振的测试方法通常比使用传输/反射的测试方法更精确。谐振测试方法通常更精确，但通常只能测试单个或多个离散频率下的Dk结果。而传输/反射法则可以在宽频带上给出Dk随频率的变化情况。

接下来介绍PCB行业常用的一些测试方法。

1、IPC-TM-650 2.5.5.5c定义的X波段夹紧带状线谐振器测试方法

在层压板生产完成后，需要蚀刻去除铜箔，仅将介质原材料样品放入夹具中进行测试。夹具在中间有非常薄的谐振片，谐振片两侧是接地面，将待测试介质材料（material under test ，简称MUT）置于谐振片和接地面之间。当夹具通过压力夹合在一起时，夹具与被测材料则形成了地-信号-地的带状线RF结构，更具体地说就是地-MUT-信号-MUT-地的结构。本测试方法可评估材料Z轴的Dk和Df，其测试频率可以从2.5 GHz开始到约12.5 GHz的一些离散频率点。但通常，该测试方法仅评估10 GHz下的相对更为精确的频率点。

该测试方法的一个缺点是，由于夹具里面的残留空气（空气的Dk值约为1）的问题，测得的Dk值有时会略低于材料的本身的Dk值。另一个担忧是，当测试的材料具有高各向异性（在所有3个轴上的Dk都不相同）时，谐振峰可能会发生改变，从而会降低测试Dk的准确性。这一点往往无需过多担心，除非某些材料具有较高的标称Dk值（例如Dk大于6）。较低标称Dk值的材料通常各向异性较小。总的来说，对于电路材料制造商来说，这是一种极好的大批量的测试方法，可用于Dk/Df检测确保其材料的Dk/Df性能一致。

2、IPC-TM-650 2.5.5.13定义的分体圆柱形谐振器测试方法

该测试方法为圆柱形谐振器，顾名思义，它是分体式的，可以打开和关闭。在层压板生产完成后，蚀刻去除所有的铜箔，将待测材料（MUT）放在分体式圆柱形谐振器之间，并将其关闭后进行测试。谐振器有多个不同的谐振峰，用户可以选择以评估Dk和Df，但这些不同的谐振峰的频率各有不同。该测试方法评估的是材料的X-Y平面的Dk/Df，而不是Z轴方向的Dk/Df。此外，该测试方法也可以与夹紧带状线测试方法（Z轴法）测试相同频率的Dk/Df，所以，如果用这两种测试方法评估相同材料时，各自数据的对比可以得到被测材料MUT的各向异性。值得注意的是，如果材料是各向异性的，则在使用夹紧带状线测试相同材料时，将与分体圆柱形谐振器测试得到不同的Dk值。

3、微带线环形谐振器测试方法

这是一种基于电路的测试方法，环形谐振器电路设计在待评估材料上的作为测试载体。环形谐振器通常通过开路的50 Ω传输线作为馈线，将射频信号耦合到环形器谐振电路中（环形器看起来像一个非常窄的圆环）。两条馈线和环形谐振器之间的间隙非常关键，间隙区域的变化可能导致Dk提取不准确。此外，如果环形器谐振的完成电路有较厚的镀铜，对比在完全相同材料上但镀铜层较薄的相同设计的环形谐振器电路，则较厚的镀铜电路其间隙区域将在空气中具有更多的电场，而造成谐振峰偏移。由于镀铜层的差异，提取得到的电路Dk值也会不同，这样评估的材料的Dk值就不准确。耦合间隙和镀铜厚度的变化是正常的电路加工中的变量，基于该谐振环电路的测试将不得不包括这一点，但大多数材料测试并没有这一变量。镀铜厚度在PCB制造过程中是一个自然的固有变量，当使用环形谐振器方法时，该厚度差异可能导致Dk测试的不准确结果。假设工程师了解镀铜厚度问题，了解它对Dk提取过程的影响，就可以排除这些变量而找到正确的材料的Dk值。此外，该测试方法也会受铜箔表面粗糙度的影响，而前两种测试方法并不受粗糙度影响。环形谐振器评估的是材料的Z轴方向的Dk值。

对于设计工程师来说了解材料测试的方法之间的差异非常重要，特别是在比较数据表中的Dk和Df值时。如果数据手册上已有某一Dk/Df值时，需要注意所采用的测试方法。理想情况下，最好使用相同的测试方法和相同的频率来比较Dk/Df数据。当这种要求有时并不可行时，如果是不同的测试方法都测试评估的是Z轴方向Dk时，以大致相同的频率下来比较也是相对好的对比。

当比较材料数据表或评估材料特性用于新设计时，更为重要的是，建议咨询材料制造商以了解获取得到数据表中关键数据的测试方法。

审核编辑：汤梓红