PCB 层压板的 Dk 和 Df 表征方法 – 第二部分

测量规范和测试的背景。

 

“谁的主意是拥有十几种不同的 IPC 材料测量标准（针对 PCB 层压板材料的相对介电常数和损耗角正切）？哪些是合适的或准确的，在什么情况下？

一位工程经理说：“我仍然不知道在仿真中使用什么 （Dk/Df） 值。当我查看表格（来自供应商 PowerPoint 演示文稿）和 Dk/Df 表格时，我看到的值不同。表格和图之间唯一匹配的数字是 10 GHz 时的 Df 的数字。（1 GHz 时不匹配。

这是真的：可用于 Dk 和 Df 的可能值的数量可能令人难以置信。有来自层压板制造商的 PowerPoint 演示文稿、他们的数据表、制造商提供的数字，以及可以从您自己的设计或测试车辆进行逆向工程设计的任何内容。大多数时候，这些数字不会一致。“分腔谐振器”（SCR） 和“分体柱介质谐振器”（SPDR） 有什么区别？就好像你需要加入某种穿着长袍的秘密社团来学习所有的术语、首字母缩略词和区别。

由于介电常数 （Dk）（根本不是常数）和损耗角正切或耗散因数 （Df） 的混淆，我将用几篇专栏来解释我们是如何走到这一步的，以及该行业的发展方向。如果我消除了一路上的一些困惑，我就完成了我的工作。

Dk/Df 测量标准的一些历史。要完全掌握这个主题，了解我们是如何走到这一步的会很有帮助。IPC 和 ASTM 等标准组随着时间的推移积累了行业实践和测试方法。特别是 NIST，以及 ASTM 在较小程度上，在这个领域做出了贡献，但我将主要关注本专栏中的 IPC 方法。

1980 年，在高速数字设计的形成期，只有三种 IPC 测试方法用于表征介电常数和损耗角正切（图 1）。初始介电测试标准的问题之一是它们引用的频率范围为 1-1000MHz。当时的层压板制造商倾向于发布 1MHz 的 Dk 和 Df，这种情况一直持续到 1990 年代，供应商花了很多年时间才报告 1GHz 的 Dk 和 Df。（有趣的旁注：IPC-TM-650 方法 2.5.2 的标题是“绝缘材料的电容”。世界显然是一个更好的地方，因为烦人的材料正在接受测试。快进到 1990 年，IPC 测试方法已扩展到包括 9 种不同的测试方法。然后，到 2000 年，IPC 高频测试方法任务组（或 D-24c，适合喜欢首字母缩略词的人）已经成立，Dk 和 Df 的介电测试方法数量增加到 12 种。从那以后的几年里，出现了两种新的测试方法，一些已被取代。如图 1 右下角所示，还有两种新方法正在开发中。

 

图 1.IPC 介电和层压板表征方法的 45 年历史包括 1975 年的三种技术，目前包括十几种方法，另外两种方法将于 2019 年获得批准。

表 1 显示了一些更常用的高层数环氧树脂/玻璃层压板供应商采用的 Dk 和 Df 测试方法。如果您还没有感到困惑，层压板制造商可能会使用：

• 一种用于数据表的测试方法，另一种用于 Dk/Df 表的测试方法。
• 一种在 1GHz 时的测试方法，另一种在 1GHz 以上的测试方法。
• 一种用于 Dk 的测试方法和另一种用于 Df 的测试方法。

 

表 1.介电测试的标准测试方法，按层压板制造商分类

有关一些测试标准的更多详细信息。表中最常用的介电特性方法的摘要如图 2 所示。这些标准有几点需要注意。首先，平行板电容器方法 2.5.5.9 仅在 1.5GHz 以下适用。一些层压板供应商将其用于数据表编号，因为它很容易测试。Isola 专门使用的 Bereskin 带状线因其准确性而受到吹捧，但这些方法中的大多数都可以在其指定的频率范围内产生相当准确的结果。但。。。如果没有适当的设备校准，并且不考虑制造差异和样品量，合理的测量标准通常会产生不准确的 Dk 和 Df 结果，并且无论质量如何，这些结果都会被发布、传播和使用。（正如一位老大学教授常说的那样，“从杯子到嘴唇有很多滑落。

 

图 2.层压板制造商采用的常见介电测试方法总结。

最后要注意的是，图 2 所示的四种方法中的三种采用垂直于材料样品的电场（“平面外”），而几家层压板制造商用于其 Dk/Df 介电表的分离圆柱谐振器方法使用与层压板的 x-y 平面相切的 E 场（“平面内”）。我们将在本系列的第 III 部分中讨论其含义。（请随时通过电子邮件与我联系，以受邀参加有关此主题的网络研讨会。

尽管有上述警告说明，如果我必须在短期内推荐 Dk 和 Df 数字的选择，我仍然建议使用层压板供应商的表格值，除非您有时间和资源进行自己的测试（和持续校准）。对于信号完整性仿真，请确保使用考虑树脂含量、材料结构和频率的表格值，而不是盲目地插入数据表值。