毫米波频段覆铜板基材介电性能的各向异性测试方法研究.pdf

覆铜板资讯2 0 2 3年第3期覆铜板检测方法毫米波频段覆铜板基材介电性能的各向异性测试方法研究西安交通大学微电子学院陈寅史志华向锋摘要：通信技术的发展对微波电路的设计提出了越来越高的要求，同时也对微波材料测试提出了越来越高的要求。5G的发展和应用使得电子设备工作的频段从厘米波提升到了毫米波，依赖于材料微观结构的X-Y方向与乙轴方向的介电性能各向异性精确测试成为当前关注的焦点。工作模式为TE01n模式分离式介质谐振腔SPDR法被广泛的应用于X-Y方向的微波介电性能测试，但商用的SPDR腔体最高工作频率仅为15GHz，不能满足毫米波测试的需求。本研究中，基于SPDR的工作原理，采用高性能超低介电常数的谐振器，研发了2 8 GHz的SPDR谐振腔，空腔的Q值大于12 0 0 0，最大样品厚度0.5mm，满足X-Y方向介电性能的测试需求。传统的乙轴方向材料介电性能测试方法（如微带电路法和平衡圆盘谐振法），操作中测试步骤繁琐，对操作水平要求高，难以满足企业的测试需求。本文创新性的提出了一种采用TE10n模式的电磁带隙结构的新型谐振腔，操作方法与SPDR法完全一样，可满足测试乙轴方向上介电性能的需求。本文基于该结构，设计了2 8 GHz的分离式电磁带隙谐振腔（SEBGR），空腔的Q值大于40 0 0，最大样品厚度0.5mm，可满足Z方向介电性能的测试需求。利用2 8 GHzSPDR腔体和2 8 GHzSEBGR腔体对熔融石英玻璃和聚四氟乙烯等典型的各项同性材料进行了测试，X-Y方向与乙方向的介电性能基本一致，符合预期结果，测试结果准确度达到要求。本研究中用于毫米波测试的SPDR腔体和2 8 GHzSEBGR腔体，为电路板基材介电性能的各向异性检测提供了一种实用化的解决方案，具有十分广阔的应用前景。关键词：介电性能；各向异性；SPDR；SEBG R；覆铜板1引言由于覆铜板基材微观结构和使用场景的差异，使得覆铜板基材在X-Y平面的介电性能和Z轴（厚度）方向的介电性能存在明显的差异。随着微波技术的飞速发展，微波器件的工作频率越来越高，当电磁波波长从厘米量级逐渐过渡到毫米量级，基材的微观结构对电磁波波长更为敏感2 ,这将导致X-Y平面的介电性能和乙轴（厚度）方向的介电性能差异会随着微波频率的增加变得更为显著，依赖于材料微观结构的X-Y方向与Z轴方向的介电性能各向异性精确测试成为当前关注的焦点。谐振法具有较高的测试精度，是当前覆铜板基材介电性能测试的主流方法。谐振法的基本工作原理是把微波谐振腔与外电路相连作为微波系统的一部分，由外电路引人微波信号并在谐振腔中激励起所需模式的电磁振荡，通过测试加人样品前后谐振峰峰位的变化即可计算出被测介质材料的微波介电性能3。一般而言，测试材料介电性能时，需要-32-覆铜板检测方法覆铜板资讯2 0 2 3年第3期(a）电场平行于介质材料图1不同模式电磁场中电场与介质材料的角度示意图把材料放置在电场最强的位置，测试材料磁性能时，需要把材料放置在磁场最强的位置。采用谐振法测量材料的介电性能时，不同的电磁场工作模式，电场的方向会与材料的法线方向（以片状材料为例）呈现出不同的角度，如图1所示。图1(a)中，电场分布与介质平面平行，该模式下，可对介质材料X-Y平面的相对介电常数进行测试，通常的电磁场工作模式为TE模式，代表性的测试方法有IPC-TM-6502.5.5.13规定的分离式圆柱谐振腔法（SCR)4、IEC6 118 9-2-7 2 1：2015规定的分离式介质谐振器法（SPDR）5等。图1(b)中,电场垂直于介质平面，该模式下，可实现介质材料z轴方向（厚度方向）的介电性能测试需求，电磁场的工作模式为TEM等模式，代表性的测试方法有IPC-TM-6502.5.5.5规定的带状线谐振法6 、IEC63185-2020规定的平衡型圆盘谐振器法(BCDR)法7 。当前，在企业应用较多的介电性能测试方法主要有TE模式的SPDR法（X-Y方向）和TEM模式的带线谐振法（Z方向）。SPDR法具有使用简单，测试结果重复性好等优点，但目前商用的SPDR腔最高的工作频率为15GHz（以波兰QWED公司为例），不能满足2 8 GHz等典型毫米波测试的要求。带状线测试方法在行业普及度较高，受众广泛，但随着测试频率的升高，基于该方法的测试样品尺寸急剧缩小，使谐振器的制备和(b）电场垂直于介质材料测试样品的加工变得困难，操作难度也增加；同时，带状线的结构导致其自身损耗较高，谐振器品质因数较低，不能满足高精度的测试需求。本文针对毫米波频段覆铜板基材介电性能的各向异性测试的需求，基于SPDR的工作原理，采用高性能超低介电常数的谐振器,研发了2 8 GHz的SPDR谐振腔,用于测试X-Y方向的介电性能；基于TE10n模式的电磁带隙结构的新型谐振腔，设计了2 8 CHz的分离式电磁带隙谐振腔（SEBCR），操可满足测试乙轴方向上介电性能的需求。228GHz SPDR谐振腔2.1工作原理介质谐振器待测材料介质谐振器图2 SPDR结构示意图SPDR的结构如图2 所示。在分离式介质谐振腔体内部存在两块对称的介质谐振器，在电磁波激励下产生了TEo11谐振模式，使得谐振系统产生了空腔谐振频率fo与空腔品h-33-覆铜板资讯2 0 2 3年第3期覆铜板检测方法质因数Qo。由于待测材料的介电常数和介电损耗大于空气，置入样品后，TEo谐振峰产生较小的变化，负载谐振频率f和负载品质因数Qi。由于TEol1模式仅存在垂直于中心轴线的水平切向电场，且在两块介质谐振器的对称中心部分存在电壁平面,因此在两块介质谐振器中心插人片状待测介质材料后电场在交界平面保持连续，且对空气间隙和材料的轴向位置不敏感，这使得SPDR可以测试多层薄膜的介电性能。SPDR腔体的工作频率主要由介质谐振器的几何尺寸和介电性能的决定。目前SP-DR腔体的介质谐振器主要为Ba-Mg-Ta氧化物体系（Dk：2 4）和Zr-Sn-Ti氧化物体系（D k：38）。如用Ba-Mg-Ta氧化物体系制作15GHz的SPDR腔体时，陶瓷谐振器的直径小于5mm，对于加工和安装的要求极高，这也是商用SPDR腔体最高工作频率为15GHz的主要原因。分析SPDR腔体结构上的特点，如要提高SPDR腔体的使用频率，必须使用介电常数较小的超低损耗介质材料作为谐振器才能实现预期目标。经过多方面综合考虑，本研究拟选用蓝宝石作为谐振器材料进行毫米波SPDR腔体的研究工作。2.2腔体设计蓝宝石的成分为氧化铝，属三方晶系，透明至半透明，玻璃光泽。折光率1.7 6-1.7 7，双折射率0.0 0 8，二色性强。硬度为9，密度3.95-4.1克立方厘米。A轴方向介电常数9.4，C 轴方向介电常数11.48。蓝宝石的主要极化机制为离子位移极化和电子位移极化，介电性能在红外频段以下基本上不随频率发生变化，性能非常稳定。腔体设计过程中，综合考虑了杂模抑制、蓝宝石介电性能各向异性等影响因素，确定了腔体的预期参数：工作频率:2 8 GHz;Q 值:10 0 0 0;(a)SPDR仿真模型XYPlot110.00200020.004O.002ah(b）SPD R 仿真结果图32 8 GHzSPDR腔体仿真-34覆铜板检测方法覆铜板资讯2 0 2 3年第3期-30:00-35.0040.00-45.00-50.00-55.00-600-685.00-70.00-75.00CeneBW28:082.155ZM38.128d130328.082.GH-55.66dB（a）2 8 G H z SPD R 实物图-30.00-35:0040.00-45.00-50.00-55.00-60.00-85.00-70.00-75.0080.00Ch1Pt图42 8 GHzSPDR腔体实物图及测试数据杂模抑制:2 7 2 9 GHz内仅有一个TE模式谐振峰；样品厚度：0.5mm；样品尺寸：10 mmD 50 0 0;待测样品图9 基于电磁带隙结构的矩形谐振腔剖面图图10 基于电磁带隙结构的矩形谐振腔俯视图-37-电磁带隙谐振腔覆铜板资讯2 0 2 3年第3期覆铜板检测方法+(a）SPD R 仿真模型0.00SParameterPlot1-12.50-25.0037.50-50.0062.5026.00杂模抑制:2 7 2 9 GHz内仅有一个TE模式谐振峰；样品厚度：0.5mm；样品尺寸：30 mmD60mm;腔体：黄铜镀银结构。根据SEBGR法的基本工作原理，使用HFSS软件建立了SEBCR腔体仿真模型，如图11（a）示。仿真SEBGR腔体谐振频率为28.16GHz，Q 值大于6 0 0 0，达到预期指标。3.3腔体验证基于以上有关电磁带隙结构矩形谐振腔的分析，本文设计了一款谐振频率为2 8 GHz的电磁带隙结构谐振腔，如图12 所示，测试得到其空腔谐振频率为2 8.46 2 GHz，品质因数为40 11，结合网络分析仪和自制计算程Design1_coadal AnsysCumehte28.5027.00图112 8 GHzSPDR腔体仿真序，分别测试并计算了几种典型材料的介电性能，测试结果如表2 所示：根据表中数据可知，电磁带隙结构矩形谐振腔对几种典型材料，其介电性能测试结果与理论值误差均在5%以内，测试结果准确度达到要求。4结论本研究中,基于SPDR的工作原理,本文中采用高性能超低介电常数的蓝宝石材料作为SPDR腔体的谐振器，研发了2 8 GHz的SPDR谐振腔，空腔的Q值大于130 0 0，在26CHz30 GHz的频率范围内，有且只有一个谐振峰，非常便于快速准确的识别正确的谐振峰，最大样品厚度0.5mm，满足X-Y方向27.50(b）SPD R 仿真结果28.00FrooIOHI28.5029.0029.5030.00表2 2 8 GHzSEBGR测试结果数值求解结果测试样品tan PTFE1.91石英玻璃3.76标准结果tan 1.4 10-42.011.8 10-43.8-38-误差1A8/811ta n /ta n 11.2 10-44.97%1.5 10-41.05%16.6%20.0%覆铜板检测方法覆铜板资讯2 0 2 3年第3期DOLL（a）2 8 G Hz SEBG R 模型图(b)28GHzSEBGR实物图图12 2 8 GHzSEBGR腔体实物图及测试数据介电性能的测试需求。针对传统的z轴方向材料介电性能测试方法难以满足毫米波频段的测试需求。本文创新性的提出了一种采用TEion模式的电磁带隙结构的新型谐振腔，操作方法与SPDR法完全一样，可满足测试Z轴方向上介电性能的需求。本文基于该结构,设计了2 8 GHz的分离式电磁带隙谐振腔（SEBGR），空腔的Q值大于40 0 0，最大样品厚度0.5mm，可满足Z方向介电性能的测试需求。利用2 8 GHz SPDR腔体和2 8 GHz SEB-GR腔体对熔融石英玻璃和聚四氟乙烯等典型的各项同性材料进行了测试，X-Y方向与Z方向的介电性能基本一致，符合预期结果，测试结果准确度达到要求。本研究中用于毫米波测试的SPDR腔体和2 8 GHzSEBGR腔体，为电路板基材介电性能的各向异性检测提供了一种实用化的解决方案，具有十分广阔的应用前景。参考文献：12021年中国覆铜板行业调查解析C.2022年中国覆铜板行业高层论坛论文集.2 0 2 2：131-17 0.2叶齐铖.面向5G通信的毫米波天线关键技术研究D.电子科技大学,2 0 2 2.(c)28GHz谐振峰3刘沛江,何骁,陈泽坚,等.介质材料的介电性能测试方法综述J.广东电力,2 0 2 2,35(0 8):1-12.4 W.C.Hahn.A new method for the calculation of cav-ityresonatorsM.J.Appl.Phys.1941,vol.12:62-68.5 Givot B L,Krupka J,Belete D Y.Split post di-electric resonator technique for dielectric cure moni-toring of structural adhesivesC.International Confer-ence on Microwaves.IEEE,2000.6许增超,李恩,何风梅,等.带状线谐振器法复介电常数测量的应用与发展C.2007中国仪器仪表与测控技术交流大会论文集（二），2 0 0 7:52-55.7 Y.Kato and M.Horibe.Broadband ConductivityMeasurement Technique at Millimeter-Wave BandsUsing a Balanced-Type Circular Disk Resonator J.in IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech-niques,vol.69,no.1,pp.861-873,Jan.2021.8顾腾.基于悬置微带线的微波介电性能测试研究D.西安交通大学,2 0 2 2.9张兴伟.槽间隙波导与波导缝隙天线设计方法研究D.中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心),2 0 18.编者注：本文选自第二十三届中国覆铜板技术研讨会论文集，并被评选为研讨会报告论文-39-