董彥輝 于藝杰
(中國電子科技集團公司第四十六研究所,天津 300220)
張永華
(無錫江南計算技術(shù)研究所印制板質(zhì)量檢測中心,江蘇 無錫 210023 )
目前高頻電路基板材料的工作頻段已經(jīng)覆蓋了從低頻到毫米波范圍,而微波、毫米波通信在雷達(dá)、遙感、航天測控以及制導(dǎo)等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用,使得基板材料的工作環(huán)境覆蓋了從零下幾十?dāng)z氏度到幾百攝氏度的范圍[1],介電常數(shù)熱系數(shù)的測試也越來越受到微波介質(zhì)基板生產(chǎn)企業(yè)和使用單位的關(guān)注。微波介質(zhì)基板介電常數(shù)溫度熱系數(shù)TCDk,是對微波介質(zhì)基板介電常數(shù)隨應(yīng)用環(huán)境溫度變化而變化的一種性能評價,它可以是正值(隨溫度增高,Dk增大),也可以是負(fù)值。在設(shè)計對溫度變化較為敏感的電路,如帶通濾波器、壓控振蕩器及天線時,忽略介電常數(shù)隨溫度變化的特性會帶來許多問題。介電常數(shù)在傳輸線的特性阻抗和波長方面起著決定性的作用,傳播速度、波長和特性阻抗都隨著介電常數(shù)的變化而變化,如果實際應(yīng)用中材料介電常數(shù)發(fā)生較大變化,整個電路的性能將大大降低[2][3]。
國際上,測試微波介質(zhì)基板介電常數(shù)熱系數(shù)的方法通常是采用IPC-TM-6502.5.5.5[4]。國標(biāo)中相似的測試方法為GB/T 12636-1990微波介質(zhì)基片復(fù)介電常數(shù)(帶狀線法),國內(nèi)對采用此方法進(jìn)行介電常數(shù)熱系數(shù)測試的文獻(xiàn)也較多,如許增超[5]、王修齊[6]等人均對該方法的誤差來源進(jìn)行了詳細(xì)探討,但關(guān)于溫度均勻性對測試結(jié)果的影響沒有進(jìn)一步研究。國內(nèi)關(guān)于介電常數(shù)熱系數(shù)的測試暫無國家測試標(biāo)準(zhǔn),雖然有相關(guān)的測試規(guī)范,但對溫度準(zhǔn)確性及均勻性沒有明確的要求。國外生產(chǎn)廠家如羅杰斯所采用的IPC測試標(biāo)準(zhǔn)對測試過程中溫度均勻性的要求也沒有明確的說明。在實際測試過程中,對于介電常數(shù)熱系數(shù)較大的微波介質(zhì)基板,測試系統(tǒng)溫度的準(zhǔn)確性及均勻性對測試結(jié)果的影響較小,但對于介電常數(shù)熱系數(shù)較小的產(chǎn)品,如RT duroid 6002、CLTE-XT,溫度準(zhǔn)確性,尤其是溫度均勻性對測試結(jié)果的影響會變得非常明顯,這也是本文研究的主要內(nèi)容。
帶狀線諧振器是在尺寸相同的兩片介質(zhì)基片的中間位置夾持一片薄金屬銅箔導(dǎo)帶,然后在上下壓上導(dǎo)電良好的金屬板,形成兩端開路的帶狀線,并在其傳播方向上進(jìn)行微波信號的耦合,形成耦合回路(如圖1)。
圖1 帶狀線諧振器示意圖
測試時,激發(fā)帶狀線諧振器產(chǎn)生諧振,并通過測試TEM模各諧振峰的諧振頻率f和品質(zhì)因數(shù)Q,結(jié)合諧振器的長度、厚度,金屬導(dǎo)帶的寬度、厚度,以及金屬接地板的電阻率等參數(shù),計算出介質(zhì)基材在不同頻率下的相對介電常數(shù) 。
介電常數(shù)熱系數(shù)按公式(1)計算。
式中:
T0─ 對應(yīng)介電常數(shù) 時控溫箱的溫度,℃;
T1─ 對應(yīng)介電常數(shù) 時控溫箱的溫度,℃;
為帶狀線諧振器變溫測試系統(tǒng)組成,包括帶狀線測試夾具、溫度控制系統(tǒng)、高頻耦合探針,加壓測壓裝置、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和控制微機等(如圖2)。
圖2 帶狀線諧振器測試系統(tǒng)框圖
待測樣品固定在夾具之間,并整體置于溫控系統(tǒng)中,通過加壓裝置對帶狀線諧振器施壓,以排除諧振器中的空氣,測試時由網(wǎng)絡(luò)分析儀通過高頻耦合探針激發(fā)諧振器產(chǎn)生諧振,最終測試結(jié)果由計算機求出。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀選用安捷倫N5230C,多點溫控系統(tǒng)由中國電子科技集團公司第四十六研究所研制,溫度控制點分別選擇樣品的上和下表面左、中、右共計6個點,經(jīng)國家計量院對溫度均勻性進(jìn)行計量確認(rèn),其均勻性優(yōu)于±0.5℃,對比組為一套商用單點溫控系統(tǒng),溫度控制點在樣品上表面中部。
利用兩套不同的溫控系統(tǒng),分別對RT duroid 6002和CLTE-XT兩種樣品的介電常數(shù)熱系數(shù)進(jìn)行測試,以比對不同溫控狀態(tài)下介電常數(shù)熱系數(shù)的測試結(jié)果。從表1中可以看出,上述兩種材料的介電常數(shù)熱系數(shù)的典型值非常小,RT duroid 6002介電常數(shù)熱系數(shù)為0.0012 %/℃(12 ppm/℃),CLTE-XT介電常數(shù)熱系數(shù)為-0.0009 %/℃(-9 ppm/℃),均介于-0.002 %/℃~0.202 %/℃(-20 ppm/℃~20 ppm/℃)之間,如此小的介電常數(shù)熱系數(shù)變化,對測試系統(tǒng)的介電常數(shù)測試穩(wěn)定性、重復(fù)性、以及測試系統(tǒng)溫度均勻性、準(zhǔn)確性都提出了更高的要求(見表1)。
為得到多點溫控系統(tǒng)與單點溫控系統(tǒng)在到達(dá)測試溫度點時樣品的實際溫度狀態(tài),我們選擇0℃和100℃時兩個溫度點進(jìn)行研究。對測試系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制和監(jiān)控,溫度隨時間的變化曲線如圖3~圖6所示,圖中6條不同顏色的曲線分別代表多點溫控系統(tǒng)中待測樣品上層左、中、右3個位置及下層左、中、右3個位置溫度值的變化。
其中,圖3為100℃時,控溫系統(tǒng)升溫至100℃的時間-溫度圖。當(dāng)上層中心溫度最先到達(dá)設(shè)置溫度時,此時與單點溫控系統(tǒng)的狀態(tài)相似,其余測試位置溫度均未達(dá)到設(shè)置溫度。若將此時設(shè)為測試溫度上限點,并在此時進(jìn)行測試時,測試樣品不同位置處的溫度并不均勻,會導(dǎo)致介電常數(shù)測試結(jié)果誤差較大(如圖3)。
為最終獲得的均勻性較為穩(wěn)定的100℃溫度圖,由圖中可以看出,此時所監(jiān)測樣品的6個位置的溫度較為均勻一致,且均勻性優(yōu)于±0.5℃,在此時進(jìn)行測試時介電常數(shù)測試結(jié)果較為準(zhǔn)確(如圖4)。同樣,在對實驗所需的0℃環(huán)境條件溫度進(jìn)行監(jiān)測(如圖5),上層中心點溫度最先到達(dá)設(shè)置溫度,但此時溫度均勻性較差,穩(wěn)定后的時間-溫度曲線(如圖6)。
在公式(1)中,介電常數(shù)熱系數(shù)測試測試結(jié)果由兩個參數(shù)決定,一個是溫度,另一個是介電常數(shù)。因此,在溫度系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下,介電常數(shù)測試的重復(fù)性、穩(wěn)定性對介電常數(shù)熱系數(shù)測試結(jié)果影響將變得非常重要。測試過程中,介電常數(shù)重復(fù)性的好壞主要取決于軟件設(shè)計及測試系統(tǒng)壓力的控制(見表2),無論是單點還是多點溫控系統(tǒng),采用多次采集數(shù)據(jù)求取平均值的方法可以使得介電常數(shù)測試結(jié)果的變化不超過±0.0001,基本可以忽略由介電常數(shù)測試系統(tǒng)引起的介電常數(shù)熱系數(shù)測試偏差(見表2)。
采用多點溫控系統(tǒng)和單點溫控系統(tǒng)分別在100℃和0℃環(huán)境下進(jìn)行測試,其中多點溫控系統(tǒng)在監(jiān)測的6個點溫度最大偏差小于0.5℃時進(jìn)行測試,而單點溫控系統(tǒng)在檢測點溫度到達(dá)測試溫度并保持15 min后進(jìn)行測試,分別選取RT duroid 6002和CLTE-XT各5組樣品進(jìn)行測試,測試結(jié)果(見表3~表6)。由測試結(jié)果可以看出,對于材料RT duroid 6002,單點溫度控制系統(tǒng)測試結(jié)果與羅杰斯的典型值差距較為明顯,且數(shù)據(jù)離散性較大。采用多點溫控系統(tǒng)測試結(jié)果保持了良好的重復(fù)性,并與材料手冊中的典型值基本吻合。對于材料CLTEXT,其介電常數(shù)熱系數(shù)典型值為-0.0009 %/℃(-9ppm/℃),單點溫控系統(tǒng)測試結(jié)果卻在-0.0001%/℃(10 ppm/℃)左右,偏離典型值較大,而采用多點控溫系統(tǒng)的測試結(jié)果與羅杰斯典型值更為接近。介電常數(shù)熱系數(shù)由材料的組成結(jié)構(gòu)(樹脂成分、玻纖布增強材料比例等)決定,對于陶瓷填充的PTFE或碳?xì)錁渲哳l基材,介電常數(shù)熱系數(shù)的值通常都比較小。此時為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性,良好地控制測試系統(tǒng)的溫度均勻性,尤其是樣品不同位置處的溫度均勻性便顯得尤為重要。
表1 測試所用羅杰斯樣品型號及熱系數(shù)典型值[7][8]
圖3 測試系統(tǒng)100℃點 時間-溫度圖
圖4 測試系統(tǒng)100℃點穩(wěn)定后 時間-溫度圖
圖5 測試系統(tǒng)0℃點 時間-溫度圖
圖6 測試系統(tǒng)0℃點穩(wěn)定后 時間-溫度圖
表2 RTduroid 6002 介電常數(shù)重復(fù)性測試
表3 RTduroid 6002多點溫控系統(tǒng)測試值
表4 RTduroid 6002單點溫控系統(tǒng)測試值
表5 CLTE-XT多點溫控系統(tǒng)測試值
表6 CLTE-XT單點溫控系統(tǒng)測試值
本文測試所采用兩種溫控系統(tǒng)中,單點溫控系統(tǒng)的加熱方式、硬件設(shè)計及控制軟件設(shè)計相對簡單,其設(shè)置的單點測試溫度也較容易實現(xiàn),而多點溫控系統(tǒng),要實現(xiàn)整個測試樣品溫度均勻,無論硬件設(shè)計或控制軟件設(shè)計都較為困難。從本文研究結(jié)果可以看出,無論單點或者多點溫控系統(tǒng),溫度均勻性對于介電常數(shù)熱系數(shù)的測試結(jié)果影響都非常大,如果溫度不均勻,極有可能獲得測試誤差較大的測試結(jié)果。采用多點溫度控制系統(tǒng)對溫度進(jìn)行控制,使樣品整體達(dá)到測試所需溫度后,其介電常數(shù)熱系數(shù)測試結(jié)果更為可信。