印制電路基材介電常數測試方法標準現狀分析

王義才 薛超

關鍵詞：印制電路基材，介電常數，測試方法標準

0 引言

高頻印制電路基材是幾乎所有電子單機和電子信息系統內傳輸高頻電信號的電路載體，在高頻印制電路板的制造過程中，介電常數是影響板材性能的重要參數。

介電常數（dielectric constant）是規定結構的電極間，以某種材料作為介質時的電容量與相同結構電極間以真空或空氣為介質時的電容量之比[1]。高頻印制電路基材的介電常數直接關系到電子設備的性能和可靠性以及信號傳輸的完整性。因此，針對不同特點的高頻印制電路基材選擇合適的介電常數測量技術和測試方法標準顯得尤為重要。

1 介電常數測試技術原理

1.1 二流體槽法

二流體槽法是利用空氣作為一種流體，選擇另一適當的液體作為第二種流體（通常為硅酮）測定印制電路基材的介電常數。當空氣的介電常數為一確定值時，則流體和被測樣品的介電常數可以很容易地計算出來[2]。

該方法非常適合介電常數小于3.0的聚四氟乙烯基材的測試，測試過程中對于樣品厚度并無限制性要求，但是對大多數印制電路基材而言，測試時溫度和濕度的變化會使測試結果與真實數據產生較大的誤差。

1.2 平行板電容法

平行板電容法將被測材料置于平行板電極之間，形成一個電容器，通過測試電容值計算出介電常數的測試方法。

該方法雖然多用于低頻段（≤1MHz）測試，但使用高精度的阻抗分析儀和配套測試夾具時，也可用于1MHz～1GHz下印制電路基材介電常數的測試，但是該方法用于低損耗的印制電路基材時，測試重復性并不理想。

1.3 帶狀線諧振器法

帶狀線諧振器法是目前應用最為廣泛的一種印制電路基材介電常數的測試方法，該方法原理是以傳輸線理論為基礎，將被測試的介質基材樣品與金屬接地，與薄形諧振導帶構成微波傳輸線裝置（如：共面波導、帶狀線、微帶線等），根據測得的該傳輸線諧振器的諧振頻率和品質因數，計算出被測印制電路基材的介電常數。該方法典型的測試頻率為10GHz，通過選取不同的諧振峰值，可以將測試頻率擴展至14GHz。

該測試方法對測試樣品要求較高，被測樣品質量直接影響測試的準確度。通常需要進行蝕刻處理以獲得標準測試圖形的樣品才能進行測試，因此制作測試樣品的周期較長，測試成本較高。

1.4 諧振腔法

諧振腔法的測試理論是通過測試樣品加載前后諧振頻率和品質因數的變化，計算介質基材的介電常數。

傳統的諧振腔法是將被測試的基材樣品放置在腔體底面的短路板上，由于該區域的電場強度較弱，使得樣品加載前后諧振腔的諧振頻率和品質因數變化較小，因此難以精確計算，并且被測試的基材樣品的幾何尺寸需要同諧振腔的尺寸嚴密配合，對樣品的加工要求很高。

改進的諧振腔法是分裂式圓柱體諧振腔法和分離式介質柱諧振腔法（簡稱SPDR法）。

分裂式圓柱體諧振腔法的理論是將傳統的諧振腔從中間截斷一分為二，并將待測樣品夾持在兩分裂腔體的中間部位通過耦合環激發腔體產生 TE01p模諧振，最后通過樣品加載前后諧振頻率和品質因數的變化計算出被測試基材的介電常數。分裂圓柱體諧振腔法對樣品制備要求較低，同時是一種非破壞性的高精度測量方法，最常應用于低損耗基材的測量（如圖1所示）。

分離式介質柱諧振腔法（Split Post DielectricResonator Method，簡稱SPDR法）是一種非接觸測量介電常數的方法，采用兩個高介電低損耗的介質諧振器及TE01n諧振模式，將電磁能量限制在兩個分開的空圓柱形金屬腔內，構成諧振腔（如圖2所示）。

該測試方法可在1～20GHz 頻率范圍內的單一頻率點上，測量介電常數。分離電介質諧振器法對樣品制作要求比較低，且具有非常高的測試精度，非常適合印制電路基材的測試，但此方法僅能適用于測量平面方向的介電常數。

1.5 諧振腔微擾法

諧振腔微擾法，是將印制電路基材制作成柱狀小塊，放入諧振腔體中磁場或電場最強處時，腔內的電磁場可近似視為不變（微擾條件），通過測量插入試樣前后的諧振頻率和品質因數，可計算出介電常數。諧振腔微擾法分為圓柱形腔體和矩形腔體，微擾法理論簡單，腔體形狀多變，但由于要滿足微擾條件，因此對樣品的尺寸限制非常嚴格（如圖3所示）。

1.6 S參數法

S參數法采用的是傳輸法原理，使用網絡分析儀測量特定長度的帶狀線板雙口網絡的S參數，該方法不受嵌入轉接頭和連接器的影響，因此能獲得較高精度的介電常數值，其典型的測試頻率為2～15GHz。

1.7 準光腔法

準光腔法是在由一個球面鏡和一個平面鏡構成的準光腔諧振腔中，通過測量空腔和放置基材樣品后的諧振頻率以及品質因數的變化，計算介質基材介電常數的方法，其測試頻率可達110GHz（如圖4所示）。

準光腔的工作波長遠遠小于準光腔的腔體尺寸，被測樣品制作難度較小，但測試樣品的最大厚度受到測試頻率的限制，樣品厚度與測試頻率成反比。

1.8 平衡型圓盤諧振法

日本電子封裝和電路協會發布了一項平衡型圓盤諧振法（Balanced-Type Circular Disk ResonatorMethod，簡稱BTCD法），并可在微波頻段下，測試基材常溫介電常數（如圖5所示）。

2 介電常數測試方法標準現狀

目前，印制電路基材使用的介電常數測試國內標準主要包括國家標準、電子行業標準及團體標準，在國際標準方面主要涉及IEC標準和IPC標準。每項標準所采用的測試技術原理以及適用范圍側重均有所不同（見表1）。

目前，國內標準中已經基本覆蓋常用的介電常數的測試方法，并在標準中明確規定了測試方法的測試設備、測試步驟、樣品制備以及測試報告要求，然而在適用頻率范圍和介電常數的范圍都有所限制。

例如：針對諧振腔法有3項已有標準有所規定：

IEC 61189-2-721：2015《印制板試驗方法-微波頻段下覆銅層壓板相對介電常數和介質損耗角真切測試方法-分離介質諧振腔法》，其測試頻率覆蓋1.1GHz到18GHz，針對1.1GHz、2.5GHz、5GHz、10GHz、15GHz、18GHz的測試頻點需要6個不同尺寸的夾具，與之對應需要加工不同尺寸的樣品。

IPC650TM2.5.5.13《相對介電常數和損耗角正切測試—分裂圓柱諧振器法》標準中也有分離式圓柱諧振腔測試方法內容，其測試范圍為10～50GHz，該標準采用一腔多模技術可以實現單腔多頻點測試。

T/CSTM 00985-2023《低損耗介質板的復介電常數測試 分離式圓柱諧振腔法》其測試頻率覆蓋2～100GHz，同時在規定常溫介電常數測試的同時給出了寬溫度范圍（-65～125℃）下介電常數的測試要求。

所以在不同材料，不同頻率的情況下，標準規定的測試方法不建議隨便套用。在不同的系統、測量不同的材料、所要求的頻率不同的情況下，需要具體問題具體分析，這樣才能得出最準確的方法。

3 結語

綜上所述，由于被測印制電路基材的介電常數、應用場景涉及的頻率范圍要求、物理狀態以及材料樣品制備的要求不同，所采用的測試方法也不同。當然，在使用不同測試方法標準的情況下，受到環境溫度、濕度以及測試夾具和測試方法的誤差不同，同種產品的測試結果也不完全相同。再根據不同技術方法選擇使用不同測試標準的同時，應考慮在測試結果后注明測試方法依據標準，同時建議在國家標準層面可以進一步統一要求和界定。