PCB材料测试解决方案

材料测试主要测试材料的介电常数和损耗角正切，即dk,df测试。当然也有磁导率测试，这里不做讨论。目前市面上有多种测试方法，主要分为传输反射法和谐振腔法两大类。对于高损材料，损耗角正切在0.05以上通常采用传输反射法。对于低损材料，一般采用谐振腔法，df可以测试到0.0002甚至更低。谐振腔种类很多，例如有分离圆柱谐振腔，谐振腔微扰法，准光腔，分离介质谐振腔等。本文介绍分离介质谐振腔SPDR。将从以下几个方面来阐述。

分离介质谐振腔测试原理和测试方法

IEC61189-2-721(GBT 43801-2024)标准解读

罗德与施瓦茨提供的解决方案

01.分离介质谐振腔测试原理

测试连接图如下：主要包括矢网以及谐振腔夹具，以及电脑（装有材料测试软件）组成。

先测试空载（未加样品时）的谐振频率f0和品质因数Q0，然后加载样品，测试有载的谐振频率fs和品质因数Qs.

注：待测材料介电常数越大，fs偏离f0越远。曲线越宽，损耗df越大.

然后根据下列公式提取材料的介电常数和损耗角正切：

:相对介电常数?

h: 待测样品厚度，单位mm

f0:空腔谐振频率

fs:加载样品后的谐振频率

：是和h的函数，采用逐次逼近迭代算法。这里不做详细解释，可查阅相关IEC标准。

:损耗角正切

Qs:谐振夹具包含样品的Q值

Qc:谐振器金属损耗的Q值

QDR：谐振器介质损耗的Q值

:样品的电磁场能量填充因子。谐振腔的物理尺寸确定后，可以通过电磁场仿真得到。对于固定的谐振腔，是个常数。

简单说，目前市面上基本都是通过式谐振腔，即通过测试S21参数方法，得到材料的dk,df。矢网不需要做任何校准。

02.IEC61189-2-721(GBT43801-2024)标准解读

1适用材料和范围

IEC 61189的这一部分概述了一种方法来确定相对介电常数（）和损耗角正切（）（也称为介电常数（Dk）和耗散因子（Df），使用SPDR方法测试覆铜层压板或介电基材（或陶瓷等）在微波频率（从1.1 GHz到20 GHz）的材料属性。

2对矢网要求

500MHz到20GHz，动态范围大于60dB

3空腔矢网S参数要求

S11和S22对称，S21谐振峰值在-40dB到-45dB之间。SPAN是谐振曲线3dB带宽的110%到200%（SPAN要求对加载样品矢网也适用）

4SPDR测试夹具结构图

5不同频段下的SPDR测试夹具尺寸要求

6不同频段下的SPDR测试夹具对样品的要求

注：样品厚度说明：测试夹具高度限制内，越厚测试误差越小。对于特别薄的样品，可以多层stack到0.4mm以上。

备注：样品和夹具之间的空气间隙不影响测试精度。

7样品标准验证件

单晶石英

8深弓千分尺精度要求（样品加工尺寸测量）

分辨率优于0.001mm

9循环温箱（circulating oven）

105°C（+5/-2°C）

10环境测试室（Test Chamber，用于变温测试）

-125°C到+110 °C（或者供应商和用户约定的其他温度），温度设置数值和实际温度相差±1°C，到达设置温度后，保持15分钟以上。

11常温测试

样品测试前，在环境23°C±2°C，相对湿度（50±5）%下超过24小时。注：如果样品被蚀刻或暴露在潮湿环境，需要在105°C（+5/-2°C）循环温箱干燥2小时

12测试精度要求

（两者取大的一个）

13

室温测试报告

◎ 测试环境（温度，湿度）

◎ 测试频率

◎ 测试频率下的相对介电常数和损耗角正切数值

◎ 样品类型，尺寸，厚度等

◎ 测试数据是否异常

14变温测试报告

◎ 测试温度（T）和参考温度（Tref）

◎ 测试频率

◎ 测试频率和测试温度下的相对介电常数和损耗角正切数值

◎ 测试频率和参考温度下的相对介电常数和损耗角正切数值

◎ 介电常数TC和损耗角正切TC 备注：TC：温度系数

◎ 如果多个温度测试，需要画出相对介电常数VS温度变化以及损耗角正切数值VS温度变化曲线

◎样品类型，尺寸，厚度等

◎ 测试数据是否异常

03.罗德与施瓦茨提供的解决方案

罗德提供矢量网络分析仪，配合第三方的SPDR夹具，为客户提供相关材料测试解决方案。

提供的矢网产品系列如下：

ZNLE系列：

100KHz 到3GHz/4.5GHz/6GHz/14GHz/18GHz

ZNL系列：

5KHz 到3GHz/4.5GHz/6GHz/14GHz/20GHz

ZNB3000系列：

9KHz 到4.5GHz/9GHz/20GHz/26.5GHz

ZNA系列：

10MHz 到26.5GHz/43.5GHz/50GHz/67GHz

软件控制仪表界面：

软件常温测试设置界面：

软件变温测试设置界面:

图片说明：软件设置图片来自第三方软件（泰灵思科技（深圳）有限公司）

罗德与施瓦茨业务涵盖测试测量、技术系统、网络与网络安全，致力于打造一个更加安全、互联的世界。成立90 年来，罗德与施瓦茨作为全球科技集团，通过发展尖端技术，不断突破技术界限。公司领先的产品和解决方案赋能众多行业客户，助其获得数字技术领导力。罗德与施瓦茨总部位于德国慕尼黑，作为一家私有企业，公司在全球范围内独立、长期、可持续地开展业务。