PCB技術 - 回路 基板材料Dk及びDfを決定するための試験方法

Dkは誘電率用ε rで表され、Dfは損失係数用Tanδ に表示されます。回路材質を決定するDkとDfの試験方法は多種多様で、例えばIPCには材質Dkを決定する12種類の試験方法があり、業界組織、大学、企業にそれぞれの試験方法がある。

マイクロ波材質の特性に関する書籍には、回路材質DkとDfを評価する80種類以上の試験方法が紹介されている。結局のところ、完璧なテスト方法はありません。電子エンジニアは最も製品の回路形式を示すテスト方法を採用すべきです。回路 基板材質のDkとDfの試験方法を説明し、DkとDfを決定するための一般的な試験方法をいくつか紹介します。

マテリアルテスト方法

高周波回路の材質を測定する方法は全体的に原材料に基づく試験方法と回路に基づく試験方法の2つに大別することができる。原材料試験方法に基づいて、媒体原材料の特性を評価するためにクランプを使用することが多い。このような試験方法は、回路加工変数を含まずに原材料の特性を評価するだけである。回路に基づく試験方法は回路担体を利用し、試験した回路効能に基づいてDkを選択する（場合によってはDfも選択する）。材質に基づく試験方法の精度は治具変数に依存し、回路に基づく試験方法は回路加工の変数に依存し、22233、この2種類の異なる試験方法によって得られたDk/Df値は異なる可能性がある。

同時に、試験方法は電界の向きによって異なる方向次元の材質のDk/Df値を得る。Z軸（厚さ軸）のDk/Df値をテストするテスト方法もあれば、X-Y平面のDk/Df値をテストするテスト方法もあります。PCB基板業界で使用されている回路材質のほとんどは異方性であり、つまり方向次元ごとにDk/Dfが異なる。ここで、同じマテリアルサンプルを2つの異なるテスト方法でテストすると、異なるDk値が得られる可能性がありますが、どちらの値も正しいです。マテリアルが異方性である場合、同じマテリアルをテストする場合、1つの方法はマテリアルのZ軸のDk値を評価し、もう1つの方法はX-Y平面のDk値を評価し、2つの異なるテスト方法は異なるDk値を測定します。

試験方法にも考慮しなければならない他の要素としては、材質分散、銅箔表面粗さ、伝送/反射技術の使用などが挙げられる。すべてのマテリアルに分散があり、Dkは周波数によって変化することを意味します。これにより、同じマテリアルに対して同じ試験方法を使用しても、試験周波数によってDk値に違いがあります。総じて言えば、Dk値は周波数の増加に伴ってわずかに減少するだろう。

元の誘電体材質Dk値の大きさにかかわらず、銅箔の表面粗さは信号の波の伝播を遅くする。シグナルが媒体中を伝播する速度が遅いのは、媒体がより高いDk値を有するとみなすことができる。一部の試験方法は銅箔表面の粗さに敏感であるが、一部の試験方法は敏感ではない。

最後に、共振を用いた試験方法は通常、透過／反射を用いた試験方法よりも正確であると考えられる。共振試験方法は通常より正確であるが、通常は単一または複数の離散周波数でのDk結果しか試験できない。一方、伝送／反射の法則は、周波数に伴うDkの変化を広い周波数帯域で与えることができる。

では、PCB業界でよく使われるDk/Dfテスト方法は何がありますか。

1、IPC-TM-650 2.5.5.5 c定義Xバンドクランプストリップ線共振器試験方法

積層板の製造が完了した後、銅箔をエッチング除去する必要があり、媒体原材料サンプルのみを治具に入れて試験を行う。治具は中央に非常に薄い共振器があり、共振器の両側は接地面であり、試験する媒体材質（material under test、MUTと略称する）を共振器と接地面の間に置く。クランプが圧力によってクランプされると、クランプと測定された材質は、地−信号−地の帯状線RF構造、より具体的には地−MUT−信号−MUT−地の構造を形成する。本試験方法は材質Z軸のDkとDfを評価することができ、その試験周波数は2.5 GHzから約12.5 GHzのいくつかの離散周波数点に達することができる。しかし、通常、この試験方法は10 GHzでの比較的正確な周波数点のみを評価する。

この試験方法の欠点の1つは、治具内の残留空気（空気のDk値は約1）の問題から、測定されたDk値は材質自体のDk値よりやや低い場合があることである。もう1つの懸念は、テストされたマテリアルが異方性が高い（3つの軸すべてでDkが異なる）場合、共振ピークが変化し、テストDkの精度が低下する可能性があることです。この点については、一部のマテリアルが6より大きいなど、より高い公称Dk値を持っていない限り、あまり心配する必要はありません。より低い公称Dk値のマテリアルは、一般的に異方性が低い。総じて言えば、回路材質メーカーにとって、これは非常に良い大量量の試験方法であり、Dk/Df検査によってその材質のDk/Df効果が一致することを確保することができる。

2、IPC-TM-650 2.5.5.13定義の分体円筒形共振器試験方法

この試験方法は円筒形共振器であり、その名の通り分離式であり、開閉することができる。積層板の製造が完了した後、すべての銅箔をエッチング除去し、測定対象の材質（MUT）を分離円筒共振器の間に置き、それを閉じて試験を行った。共振器には複数の異なる共振ピークがあり、ユーザはDkとDfを評価するために選択することができるが、これらの異なる共振ピークの周波数はそれぞれ異なる。この試験方法は、Z軸方向のDk/Dfではなく、材質のX-Y平面のDk/Dfを評価した。また、この試験方法はクランプストリップ線試験方法（Z軸法）と同じ周波数のDk/Dfを試験することもできるので、この2つの試験方法で同じ材質を評価する場合、それぞれのデータの対比により測定材質MUTの異方性を得ることができる。注目すべきは、マテリアルが異方性である場合、クランプストリップ線を使用して同じマテリアルをテストすると、分割円筒共振器テストとは異なるDk値が得られます。

3、マイクロストリップワイヤリング共振器試験方法

これは回路に基づく試験方法であり、リング共振器回路は評価対象の材質上に試験担体として設計されている。環状共振器は通常、開放された50Ω伝送路を給電線として通過し、無線周波数信号を環状器共振回路に結合する（環状器は非常に狭い円環のように見える）。2本の給電線とリング共振器の間のギャップは非常に重要であり、ギャップ領域の変化によりDk選択が不正確になる可能性がある。また、リング共振器の完成回路に厚い銅めっきがあり、完全に同じ材質であるが銅めっき層が薄い同じ設計のリング共振器回路と比較すると、厚い銅めっき回路の間隙領域は空気中により多くの電界を持ち、共振ピーク偏移をもたらす。銅めっき層の違いにより、選択された回路Dk値も異なり、評価された材質のDk値は正確ではありません。結合ギャップと銅めっき厚さの変化は正常な回路加工における変数であり、この共振リング回路に基づく試験はこの点を含めなければならないが、ほとんどの材質試験にはこの変数はない。銅めっき厚さはPCB製造過程において自然な固有変数であり、リング共振器法を使用する場合、この厚さの違いはDk試験の不正確な結果を招く可能性がある。エンジニアが銅めっきの厚さの問題を理解し、Dk選択プロセスに与える影響を理解していると仮定すると、これらの変数を排除して正しい材質のDk値を見つけることができます。また、この試験方法は銅箔の表面粗さにも影響されますが、最初の2つの試験方法は粗さに影響されません。リング共振器は、マテリアルのZ軸方向のDk値を評価します。

電子設計エンジニアにとって、マテリアルテストの方法間の違いを理解することは非常に重要であり、特にマテリアルテーブルのDkとDf値を比較する場合。データマニュアルにあるDk/Df値がある場合は、使用する試験方法に注意する必要があります。理想的には、同じ試験方法と同じ周波数を用いてDk/Dfデータを比較することが望ましい。このような要求が実行できない場合、異なる試験方法でZ軸方向Dkを試験評価した場合、ほぼ同じ周波数で比較するのも比較的に良い対比である。

電子技術者が材質表を比較したり、材質Dk/Dfの特性を評価したりして新しい設計に使用する場合、より重要なのは、回路基板PCB材質表の重要なデータを得るためのDkとDf試験方法を知るために材質メーカーに問い合わせることをお勧めします。