PCB板材介电常数的测量方法及其应用

PCB板材介电常数的测量方法及其应用PaperCode：A一054范红王红飞陈蓓刘文敏(广州兴森快捷电路科技有限公司，广东广州510663)(深圳市兴森快捷电路科技股份有限公司，广东深J．Jll518057)摘要介电常数是PCB阻抗中不可或缺的因子，指相对于真空增强材料储能容量的能力，属于材料本身所固有的电气特性。随着线路板向高频高速发展，对控制传输线阻抗的精度要求越来越高，而板材商一般提供谐振腔法测得介电常数值，包含不同频率下的介电常数值，设计中如何取值才能提高阻抗控制精度。更准确和匹配的介电数测量及取值方法须引起板材和PCB生产厂商重视。文章通过实验考察谐振腔法、传输线法(s3)、反推法对测量Megtron6板材Dk值的差异，分析其对阻抗精度的影响，对比三种方法的优势和局限性，通过统计与推算，给出其Dk修正值，为后续相关研究提供理论依据。关键词介电常数；谐振腔法；带状线一S参数法；反推法中图分类号：TN41文献标识码：A文章编号：1009—0096(2014)增千U一0301—07M‘methods0fPCBmateriallielectriceasurtngatertaldielectricM0lrCBC0nStantannitsapDItcatlOn』1■·l●·●}谴NHongWANGHong-feCHENBeiLIUWen—mingAbstractThedielectricconstant，whichbelongstotheelectricalpropertiesofthematerialitself,isanindispensablefactorinthedesignofPCBimpedance．Itreferstotheabilitytoenhanceenergystorageofthematerialrelativetovacuum．Withtheimprovementofsignaltransmissionfrequencyandspeed，therequiredprecisionoftheimpedanceofthetransmissionlineishigherandhigher．However,thedielectricconstantprovidedbytheplankcompanyisusuallytestedbytheresonantcavitymethod，includingthetestresultsmeasuredatdifferentfrequencies．DesignersandPCBmanufacturersshouldpaymoreattentiononthemoreaccurateandmatchedmeasurementofthedielectricconstantaswellasthecorrectaccessormethodinOrdertomeettheirneeds．Inthispaper,westudiedthedifferencesofDkvalueoftheMegtron6material，whichismeasuredbytheresonantcavitymethod，StriplineS-parameterSweepTestMethodandinversemethodthroughimpedance，toanalyzetheirimpactsontheimpedanceaccuracy．Comparingtheadvantagesandlimitationsofthreemethods，wegetthemodificationvalueoftheDkthroughstatisticsandcalculationthatprovidetheoreticalbasisforsubsequentresearch．KeywordsDielectricConstant；ResonantCavityMethod；StriplineS-parameterSweepTestMethod；InverseMethod．301．万方数据产品检测与可靠性InspectionandReliability2014Fdt,-季m际,PCB技术／信息论坛1月|J昌高频高速板材具有传输速度快、损耗低的特点，目前已在3G／4G通信基站、平板电脑以及智能手机等方面得到广泛的应用。伴随更方便、快捷的信息服务需求，如云计算处理器的开发，对材料的介电性能提出了更高的要求，特别在材料的介电常数和损耗因子等参数方面尤其突出。在阻抗设计与控制中，介电常数对预算阻抗值和设计传输线有关参数起关键性作用，为提高设计值与真实情况的一致性，对介电常数的取值应满足以下几点要求：真实、准确、适配设计软件或模型。介电常数指在相同的电场中某一介质中的电容率与真空中的电容率的比值，体现对抗容能力，取决于介质本身的偶极距，在不同频率下，分子间距受到外场诱导其偶极距伸缩[1]不同，一般在低频对偶极距的影响不大，但高频率诱导将加大电子云的极化改变偶极距。因此，介电常数取值需要考虑选取合适频率下的值。同时，在PCB板材中，板材介电性能方面一般指树脂和玻纤构成的半固化片(或固化片)，由于树脂与玻纤的介电常数不同，现有的Dk值可通过权重二者介电常数及含量得到一个参考值。同时，半固化片中玻纤呈网状分布导致不同位置Dk值分布不匀。在PCB设计和生产中，如何快速、有效地测量板材的介电常数，在覆铜板介电性能的验收和PCB设计参数的设定、仿真、调试及生产管控起重要意义。2复介电常数介电常数(Permittivity)随着频率和温度变化而变化。相对介电常数可用复数[2]形式示，其中介电常数(实部)表示衡量待测材料存储外部电磁场能量的能力，介电常数(虚部)表示衡量待测材料有多少能量消耗在外部电磁场电。=j吾：=卜f￡：7(1)表示(其中表示复介电常数，实部表示存储外部电磁场能量的能力，虚部表示待测材料有多少能量消耗外部磁场)，如图1所示：normal￡r图1复数介电常数分布模型介质常数具有复数形式，实数部分称为介电常数，虚数部分称为损耗因子。通常用损耗正切值(损耗因子与介电常数之比)来表示材料与微波的耦合能力，这里主要研究介电常数的实部。3PCB介电常数测试技术简介PCB材料的介电常数测试方法包含低频下采用平板法和高频下采用谐振法技术外，目前主流测试技术还包括：传输法(S3法)、时域法技术及利用Palarsi8000阻抗设计软件反推Dk值的方法。3．1平行板法平行板’法【31(电容法)利用经典的电容计算公式，根据IPC．TM．650规范设计，采用材料阻抗分析仪测得相关参数，利用图2所示仪器设备，通过公式(2)计算材料介电常数(Dk)。测试中需要选用一个已知的校准材料(一般选用PTFE)的介电常数为，其中A为平行板面积，t为样品厚度，C为电容值，与品质因素Q成反比。通过软件计算出值，具有价格经济，适合平板、PCB、薄膜等材料的测试，且只适合低频(1MHz～1．5GHz)下测试。介电常数计算公式如下；用￡，=￡：-I-l(2)．．302．．万方数据2014秋季国际PCB技术／信息论坛产品检测与可靠性InspectionandReliability图2平行板法测试材料介电常数的设备该方法采用电容法原理，需要在一个特定目标的窄的频率范围下扫描。一般用在高介电常数的材料，不适用对低损耗材料的测量，并对样品的尺寸及样品与电极接触问的空隙有严格要求。3．2带状线谐振腔法带状线谐振腔法【41具有测量方便、快捷等特点已在多领域中应用，特别在PCB领域中被广泛采用，在美、中、日等国家建立IPC．TM．650、GB／T12636．90和JPCA．TM001等相关标准规范了带状线谐振腔法在PCB中的运用。需在测试材料中夹一张具有特定宽度和厚度的金属(铜)薄膜谐振带，通过压力使得被测介质基片与金属接地板及薄形谐振导带组成带状传输线，两端开路的带状线具有谐振电路的特性。可通过网络分析仪测量带状线谐振频率和固有品质因数，从而计算得出介电常数和介电损耗角正切，适用于lGHz～14GHz下的测试频率，带状线谐振模型如图3所示。图3带状线谐振模型该方法需要控制材料的高度、宽度与谐振器的尺寸大小相同，且薄膜谐振带宽度小于测试材料，薄膜谐振带侧面与空气接触，将对测量结果有微弱影响。3．3谐振腔微扰法谐振腔微扰法[5]-[71包括圆柱腔体和柱形腔体，PCB行业一般采用薄板柱形腔体，如图4所示，通过测量插入薄板材料的谐振腔前后的共振频率和品质因素，应用微扰法计算复介电常数，包括介电常数和损耗因子值。图4薄板谐振器(测试材料前后共振频率及品质凶子)共振频率与品质因素大致分布如图5所示，图5测试数据分析模型利用相关数据推算如下：．．303．．虱呤嘭唾嚣牵寸1一f*A*U。万方数据产品检测与可靠性InspectionandReliability2014秋季国际PCB技术／信息论坛介电常数e，。兰铲+sn啪(3)损耗因子tan6z专(壶一壶)(4)其中￡，——样品介电常数；￡，(air)——空气介电常数；Vc——谐振腔体积；V。——样品体积；￡——为谐振腔共振频率；￡——为插入材料后的共振频率；Q。——为谐振腔共振的品质因子；Q。为插入介质后谐振腔共振的品质因子。3．4S3法S3法[6】全称“带状线一s参数法”(StriplineS-parameterSweepTestMethod)，属于传输线测试方法中的一种。具有相同原理的测试方法还包括微带线．S参数法，其一侧是半固化片，另一侧是油墨，两者介电常数不同，增大数据处理复杂程度；而带状线．s参数法(S3法)中，可以选择相同材料作为传输线两侧屏蔽层，减少干扰因素提高测量准确性。信号在传输线上按照准TEM波传送，传送速度由周围介质决定，与介电常数平方根成正比。因此，可以根据信号传输线上的延时和传输线的长度推导介电常数，关系如下：根据C，Uo{=——√8TDTD=f。PD有￡：c2．pD2(5)(6)(7)其中￡为介电常数；13为传输速度，rrds；c为真空光速，(3×108m／s)；l为传输线的长度，m；TD信号在长度l的传输线上延迟，S；PD信号在单位长度的传输线上延迟，s／m；通过从设计文件获取传输线的长度，并利用TDL校准方法消除传输线两端过孔对延时的影响，再结合网络分析仪测量其S参数，并利用ADS仿真软件获得不同频率下的延时数据，即可求出介电常数值。3．5反推法反推法是一种利用阻抗设计模型或软件，通过设计阻抗的预算过程和带入真实线宽等参数的反推的过程。大体是根据供应商提高材料的介电常数和规格参数代入设计模型或软件中设计阻抗测试板，通过测量设定传输线的阻抗值以及使用精密仪器测量传输线的线宽、介质厚度、铜厚等参数，代入阻抗设计模型或软件中计算材料介电常数。该方法需大量利用反推法获得的Dk数据后进行统计分析，获取平均期望值作为修正值。使用该方法获得的修正值与设计软件为同一个模型，因此，获取的Dk修正值更适合用来设计阻抗，还能提高阻抗设计精度。但操作复杂，其准确性依赖于阻抗计算软件模型，常用的有PolarSI8000阻抗设计软件。4介电常数测量方法的应用运用带状线谐振腔法、s3法和阻抗反推法对Megtron6材料中不同规格半固化进行测量，研究三种方法在PCB材料介电常数测量中的差异及应用。4．1谐振腔法根据IPCTM650—2．5．5．5标准，采用带状线谐振腔法测量．Megtron6材料中1035(RC73％)、1078．304一万方数据2014秋季国$示PCB技术／信息论坛产品检测与可靠性InspectionandReliability(RC64％)、3313(RC54％)、2116(RC54％)四种玻纤类型的半固化片介电常数，四种规格的介电常数在1GHz～10GHz变化趋势如图6，并对比10GHz下，其不同含胶量的半固化片对应的介电常数如图7所示。343332frequencytGHz蒌340L卫L口335L330L325L320L315L二103510782116／3313——1035拟合一一1078拟合⋯⋯。2116／3313拟545658606264666870727476RC／％图6四种Megtron6半固化片Dk值随频率关系图710GHz下，不同含胶量半固化片的介电常数从图6中可以看出，材料的介电常数随着频率增大而减少，从1GHz至lJ2GHz降低幅度较大，2GHz以后降低趋势变缓。从微观角度来看，介电常数与材料本身的偶极距有一定关联，在高频极化作用下，改变其周围电子云密度，导致介电常数下降；随着频率继续增大，电子云被极化到一定程度后，由于原子核对电子的吸引，核外电子并不会跃迁出其所处运动轨道，介电常数将趋于稳定。目前，常用泰克或安捷伦等网络分析仪测试阻抗，测试频率一般超过5GHz，因此，在PCB阻抗设计时，选择10GHz下的介电常数，能够减少介电常数带来设计与真实值的差异。根据图7可以看出，相同玻纤类型的材料，Dk值与含胶量的关系都能够很好的线性拟合；但不同类型玻纤的半固化片之间，拟合趋势有所差异。对于Megtron6材料来说，不同规格玻纤使用玻纤原料相同，仅规格上的含量(簇数)存在差异。理论上，混合材料的介电常数为组成部分所占比值与其介电常数乘积的代数和，对于使用相同材料Megtron6不同玻纤类型，其Dk值与含胶量的关系在整体上应该满足线性拟合。但从测量结果来看，介电常数还与玻纤类型有关。对相同类型玻纤不同含胶量的半固化片，可根据线性关系推算近似值，但在阻抗设计中，还需考虑层压流胶对介电常数的影响。4．2S3法利用S3法测量Megtron6材料@3313和2116两种类型的介电常数，并考察不同频率及传输线的长度对测试结果的影响。以图8所示图形设计制作S3法测试板，通过TRL设计模块及矫正方法，把测试端口移至传输线的两端；采用了图形旋转10。角的方式使传输线跨过玻纤，避免布线位置带来影响；并对信号过孔处进行背钻，减少残端效应带来的影响。C≥、j惨≯l<◇I≥◇，l图8S3法计算Dk测试板示意图在几种不同频率下，通过嘲分仪测量3．5in、8．5ln、15．5in长传输线的S参数，淡崩ADS软件转化为相位差，计算几种情况下的Dk值见表l。．．305．．r．—Lr．．．．．．．．．—．．．．．．．．．．．．Lr．．．．．．．．．．．．—．．．．．．1765333)10万方数据产品检测与可靠性InspectionandReliability2014秋季国际,PCB技术／信息论坛表1介电常数与频率及线长的关系＼线长衄IPCTM650材料频率＼89216394—2．5．5．5Megtron61GHz3．3053．3113．3193．294GHz3．2593．2673．2783．22103510GHz3．2133．2293．2353．2Megtron61GHz3．4053．4283．4393．414GHz3．3763．3843．3913．341078IOGHz3．3353．3413．3483．32Megtron61GHz3．7143．7203．7373．714GHz3．6683．6773．6903．632116IOGHz3．6473．6563．6673．61lGHZ3．63．623．6383．7lMegtron633134GHz3．5393．5563．5713．63IOGHz3．4993．5153．4873．61从表1可以看出：采用S3法测得介电常数，在相同频率下，线越长介电常数越大；相同线长时，频率越高介电常数越小。其原因在于：由于材料存在损耗，在相同频率下，随着线的延长导致单位长度的相位差(PD值)增大，根据公式可知线越长介电常数越大；介电常数随着频率增大而减少与带状线谐振法测试结果的变化趋势一致。在选用S3法测量介电常数时：应对信号过孔处进行背钻，减少stub对相位差的影响：使用TRL校准模式；设计线长不能过长，在3～5in长为宜。4．3反推法以Megtron6材料制作阻抗测试板，其测试条图形如图9。叠层设计需使用的芯板与半固化片为相同规格类型的材料，通过阻抗设计模型按单端50Q及差分100Q附近预算线宽，设计多组阻抗测试条，测试条包含内层带状线和无阻焊微带线形式。测量对应传输线的阻抗值、线宽、铜厚和介质厚度等参数，代入阻抗设计模型中计算出Dk值，然后进行统计得到均值作为Dk参考值。图9阻抗测试条示意图通过反推统计计算Megtron6材料中的1035、1078、3313和2116类型的半固化片介电常数数据如图10。1035类型的介电常数为3．05；1078类型的介电常数为3．206：3313类型的介电常数为3．26；2116类型的介电常数为3．47。图10Megtron6J-L种类型材料的介电常数．．306．．万方数据2014秋季国际PCB技术，信息论坛产品检测与可靠性InspectionandReliability(1-1035；2-1078；3—3313：4．2116)表2三种方法测量结果对比Megtron6带状线谐振S3法反推法类型法(10GUz)10353．23．2263．0510783．323．3413．2121163．613．6563．4733133．6l3．5013．26从表2中可以看出，采用S3法测量介电常数值较IPCTM650带状线谐振法测量值偏大0．04左右；反推法测量值较带状线谐振法偏d,o．15～0．35；反推法与阻抗设计软件或模型一致，更能提高阻抗精度。在对未采用反推法验证的材料，可在供应商提供介电常数值(口C标准)减0．2作为阻抗设计参考介电常数。5结论(1)介电常数随着频率升高而增大，与半固化片含胶量和玻纤规格有关，并受层压工艺PP流胶的影响。(2)采用IPCTM650规范中的带状线谐振腔法测量材料的介电常数时，宜选取10GHz下的介电常数用来设计阻抗：S3法测量介电常数时，受到材料的损耗影响，优选3in-5in长的带状线用来测量。(3)为提高阻抗设计精度，可采用反推法获得的介电常数，以及根据IPC．TM650带状线谐振法在10GI-Iz下的介电常数减0．2后的值用来设计传输线。参考文献【1]MarinaY．koledintseva．Materialdetericconstantanddissipation[J]．TechnicalLeader,PCBTechnologyGroupCiscoSystems，Inc．【2】董成玲．微波介质基板复介电常数测量分析[M]．硕士学位论文．2013．【3】IPCTM650．1MHz-1．5GHz介电常数(平行板法)【S】．1998．11．【4]IPCTM650．Striplinetestforcomplexrelativepermittivityofcircuitboardmaterialsto14GHz[S]．2215SandersRoadNorthbrook，IL60062-6135(1998．31．[5]JohnCoorrod．DeteriningdielectricpropertiesofhighfrequencyPCBlaminatematerials[J]．Advancedcircuitmaterialsdivision．[6】葛鹰，刘申兴，朱泳名．印制电路板高频介电常数测试技术现状分析【C]．2012秋季国际PCB技术／信息论坛，2012：60．64．【7]巩宏博．介电常数测量的微带短路线法及实现【J】．电子测量技术，2013(36)：37-41．第一作者简介范红，技术中心研发工程师，从事高频、高速PCB相关研发工作。fanhong@}chinafastprint．COIn．．307．．万方数据PCB板材介电常数的测量方法及其应用作者：范红，王红飞，陈蓓，刘文敏，FANHong，WANGHong-fe，CHENBei，LIUWen-ming作者单位：范红,陈蓓,FANHong,WANGHong-fe,CHENBei,LIUWen-ming(广州兴森快捷电路科技有限公司,广东广州,510663)，王红飞,刘文敏(深圳市兴森快捷电路科技股份有限公司,广东深圳,518057)刊名：印制电路信息英文刊名：PrintedCircuitInformation年，卷(期)：2014(z1)引用本文格式：范红.王红飞.陈蓓.刘文敏.FANHong.WANGHong-fe.CHENBei.LIUWen-mingPCB板材介电常数的测量方法及其应用[期刊论文]-印制电路信息2014(z1)