От переводчика

Меня зовут Олеся (Leka_engineer), я инженер-разработчик СВЧ устройств на печатных платах (ПП). Поэтому мне так интересна тема производства печатных плат, подложек для ПП и измерения их эпсилон.

Я уже немного писала про свой опыт измерения диэлектрической проницаемости ламинатов вот тут. Также хочу в этом предисловии отметить работы других авторов:

• Автор этой статьи изготовил и измерил три вида образцов; два типа резонаторов (кольцевой и в виде шлейфа) и образец для измерения фазовым методом

• Первоисточник этого перевода - тоже авторства Джона Кунрода из Rogers Corp. В статье как раз описаны методы резонатора и фазовый (с формулами).

• Автор этой статьи провёл эксперимент и определил эпсилон образцов линий с разной длиной (фазовый метод). Статья интересна тем, что также приводится сравнение результатов эксперимента с электродинамической моделью. И советую заглянуть в раздел списка литературы.

Автор оригинала данного перевода - Джон Кунрод, технический специалист Rogers Corp. В блоге на их сайте и в журнале Microwave Journal много статей про типы линий и про определение эпсилон материала. Также он —  автор множества видеороликов на канале Rogers Corp (например вот видео про обзор методов оценки эпсилон). Я часто рекомендую эти видео в своём телеграм канале. Для лучшего понимания перевода, считаю нужным проиллюстрировать его двумя скриншотами из этого видео.

примечание переводчика - FSR

Иллюстрация FSR ("целого листа") метода. Скриншот из этого видео.

Измерение диэлектрической проницаемости —  необходимость при создании устройств в мм-диапазоне

Диэлектрическая проницаемость (Dk, ε) — важная отправная точка для многих разработчиков ПП, как для определения параметров ламината для последующего изготовления плат, так и при наличии неизвестного материала "на руках" и последующей симуляции дизайна на нём в компьютере. Особенно важно точно знать эпсилон при разработке устройств на более высоких частотах, где длина волны становится меньше, и размеры элементов топологии критически важны. При изготовлении прототипов в мм-диапазоне точность первоначального определения Dk подложки во многом определяет успех. Эпсилон материала определяется измерениями и последующими вычислениями на основе известных параметров материала, тестовой топологии и применённых оснасток.

Не существует идеального метода оценки диэлектрической проницаемости. Именно поэтому, существует множество способов измерения эпсилон. Методы имеют разные уровни сложности и точности и могут показать разные результаты при измерении одного и того же материала. Электрически цепи в мм-диапазоне очень чувствительны, поэтому отклонения Dk подложки приводят к задержкам в процессе разработки. Если эпсилон материала не как в даташите, прототипы цепей на этом материале, должны быть изготовлены в соответствии с максимально точным значением Dk, особенно, если это схема в мм-диапазоне. Разные методы оценки диэлектрической проницаемости могут давать разный результат, поэтому базовое представление о том, как работают разные методики измерения эпсилон, будут полезны при проектировании цепей в миллиметровом диапазоне.

В то время как цепи и их применение "забирается" всё выше по частотному диапазону, разрабатываются новые методы оценки параметров материалов подложек Dk и Df (коэффициент рассеяния). Измерительные техники, определяющие Dk можно разделить на основанные на материале и на цепи (топологии). Первые подразумевают помещение образца в тестовую оснастку, вторые —  изготовление печатной платы с топологией, после измерения параметров которой вычисляется Dk. Большинство "материальных" методов используют голый диэлектрик, без слоя меди, методы с печатными платами, естественно, подразумевают наличие проводника.

"Материальные" методы обычно определяют эпсилон в определённой частотной точке (и при условии определённой температуры), а основанные на топологии методы могут быть применены для определения эпсилон на разных частотах в зависимости от типа тестовой цепи. Цепи на основе линий передачи, например микрополосковой или симметричной, могут быть измерены со свипированием по частоте. Цепи на основе резонаторов —  на одной частоте (на которой наблюдается резонанс).

Многие методы оценки эпсилон стандартизированы в системе IPC. Например, IPC TM-650 представляет собой целую коллекцию методик характеризации Dk, Df и других важных параметров. Но, несмотря на стандратизацию и чёткое описание методик измерений, разные методики будут "давать" различные значения Dk для одного и того же материала. Знание того, как отличаются разные методы, может помочь разработчикам лучше разбираться в применении материалов, особенно, если их параметры измерены по разным методикам.

Из-за того, что при использовании разных методик, получаются разные значения эпсилон, крупные производители, например такие как Rogers Corporation, указывают в даташитах несколько значений Dk: "process" и "design". В Rogers, первая цифра получена по методике, описанной в стандарте IPC-TM-650 2.5-5.5 , на одной частотной и температурной точке. А "design" значение применимо к довольно широкому частотному диапазону, причём это значение может быть получено комбинацией множество тестов, как основанных на материале, так и на топологии. Для большинства разработчиков именно вторая цифра —  нужная, она показывает практическое значение Dk материала в указанном диапазоне частот. Если рабочая частота выше указанного диапазона, например разработка ведётся в мм-диапазоне частот (30-300 ГГц), разработчик может сам провести эксперимент и охарактеризовать материал в нужном себе диапазоне частот. И понимание различия методов и различия результатов этих методов поможет разработчику лучше подготовиться к проведению измерений. Этот перевод сделан Leka_engineer

например:

Сравнение методов оценки Dk

Точность каждого метода зависит от множества факторов, таких как точность калибровки измерительного оборудования (чаще всего ВАЦ), различия в тестовых оснастках и отклонения ширины дорожек и зазоров при изготовлении печатных плат с линиями передачи или резонаторами. Большинство материалов подложек анизотропны, и эпсилон различно в разных направлениях: x (длина), y (ширина) и z (толщина). В то время как методики, определяющие Dk по осям x и y — просто полезны, измерения, позволяющие вычислить Dk по оси z представляют наибольший интерес потому, что поле линии находится как раз между землёй и сигнальным проводником.

Методика симметричной линии, представляющей собой проводник, зажатый между двумя пластинами диэлектрика, описана в стандарте IPC-TM-650 2.5-5.5, и используется в корпорации Rogers для определения диэлектрической проницаемости материалов, также таким образом можно определить Df (оба параметра по оси z). Этот метод довольно точный и имеет хорошую повторяемость, но "даёт" значение эпсилон только на одной точке —  10 ГГц. Методика характеризует голый материал, без проводника. В процессе тестирования материал помещают в специальную оснастку с платой с резонатором (на симметричной линии). Металлические пластины оснастки, которые зажимают образец и резонатор, являются экранами симметричной линии. В целях получения результатов с хорошей повторяемостью, оснастка должна быть собрана без воздушных зазоров, так как воздух с эпсилон 1 понизит эффективную (измеренную) эпсилон конструкции и эпсилон исследуемого материала будет определена неверно.

примечание переводчика и иллюстрация

На рисунке 1 упомянутой выше публикации показан этот метод (только перевод рисунка сделан не совсем корректно на мой взгляд - резонатор не микрополосковый, а на симметричной линии; испытательной установкой принято обычно называть некий стенд, в оригинале это fixture - оснастка).

Оснастки —  почти самое главное при измерениях параметров материалов в методах, основанных на материале. Для измерений обычно используют некий резонатор, и, зная толщину образцов, можно определить его параметры. Повторяемость и точность "материальных" методов зависит от качества изготовления тестовой оснастки, в то время как повторяемость и точность основанных на топологии методов зависит от качества (точности) изготовления топологии на плате.

В методах, позволяющих определить эпсилон материала, используется несколько типов резонансных структур, включая (далее дословный перевод) метод "разделённого объёмного резонатора" (SPDR), метод "целого листа" (FSR), метод "разделённого цилиндрического резонатора", которые все описаны как измерительные методики в стандарте IPC-TM-650. Первый метод основан на сравнении результатов измерений "пустого" резонатора, то есть заполненного воздухом, и резонатора с помещённым внутрь образцом материала. Точность этого метода зависит от точности измерения толщины образца и объёмов резонатора. Метод позволяет определить эпсилон в плоскости x-y, но не по оси z. Второй метод предполагает использование целого листа материала с медью, измерения проводятся со свипированием по частоте, при этом определяются стоячие волны (резонансные пики). Лист ламината с медью ведёт себя как волновод с открытыми стенками; при измерениях фиксируются стоячие волны, возникающие в продольной оси листа. Зная размеры листа и измерив резонансные частоты, можно вычислить диэлектрическую проницаемость материала на резонансной частоте. Этот метод хорошо подходит для длинных волн и низких частот, но не точен при определении более тонких цепей (пп: имеется в виду, что погрешность измерения толщины толстого листа материала не так значительна по сравнению с измерением тонкого листа, а как известно, в целях уменьшения потерь на излучения на высоких частотах обычно используют тонкую подложку). Этот перевод выполнен Leka_engineer.

примечание переводчика - иллюстрации

Метод "разделённого объёмного резонатора" проиллюстрирую картинкой из апноута Keysight:

Фото оснастки из апноута:

Ввод сигнала также может быть реализован по вертикальной оси (картинка из публикации "Microwave and RF methods of contactless mapping of the sheet resistance and the complex permittivity of conductive materials and semiconductors" Jerzy Krupka, Danh Nguyen and Janina Mazierska):

Интересно, таким образом тоже эпсилон в плоскости x-y измеряется?

В дополнение к рис.3 вот ещё одна иллюстрация метода "целого листа" (источник - презентация Rogers):

Третий метод (разделённого цилиндрического резонатора) состоит в том, что образец материала помещается в центре объёма резонатора цилиндрической формы. Одна половина зафиксирована, а вторая позволяет раздвинуть половинки резонатора, чтоб можно быть помещать образцы разной толщины. В стенке каждой половине цилиндра есть отверстие, куда вставлен кабель с петлёй связи на конце. Таким образом измеряется поле, касательное к плоскости х-у образца, затем вычисляется Dk материала.

примечание переводчика - иллюстрации

На рисунке ниже показана схема установки при измерении параметров материала методом "разделённого цилиндрического резонатора". Источник — апноут Keysight

Фото установки в апноуте также приведено. А вот другое фото (источник):

Методы, основанные на топологии также различны по своим применениям и получаемым результатам. Такие методики могут быть основаны на измерении коэффициентов передачи и отражения разных линий передач или структур или на измерении частоты и фазы печатного резонатора. Типы линий передач, используемых в методах оценки эпсилон: микрополосковая, симметричная, копланарная. Типы используемых резонаторных структур: резонатор в виде кольца и полосовые фильтры, построенные на резонаторах.

Высокая точность оценки параметров материала обеспечивается точностью измерений размеров материала и элементов топологии, ширины микрополосковой линии, толщины медного проводника, толщины подложки. Очевидно, точные измерения этих параметров становятся сложно выполнимыми для цепей, рассчитанных на частоту в мм-диапазоне. Вариации толщины материала и шероховатость меди также больше сказываются в мм-диапазоне частот, что приводит к менее точному определению Dk материала. Более гладкие медные проводники формируют более короткие пути тока и значения эпсилон неоднозначно. Такие физические отклонения в цепи также влияют на резонансную частоту печатных резонаторов, где очень важно точное измерение частоты и фазы.

Было изобретено множество методов и способов оценки диэлектрической проницаемости материала. В то время как результаты измерения Dk одного материала одним и тем же методом при повторных тестах могут совпадать, результаты измерений этого же материала различными методами будут отличаться. Проще говоря, разные тестовые топологии и оснастки работают по-разному. Различия в результатах измерений могут быть быть минимизированы только при применении одного и того же метода каждый раз. Но выбранный ранее метод может не обеспечивать получение значения Dk на нужной частоте, особенно часто такое происходит, когда разработчика интересует эпсилон материала в мм-диапазоне. Понимая, как отличаются методы оценки Dk, может и невозможно определить идеальный метод на все случаи жизни, но можно хотя бы выбрать наилучший исходя из дальнейшего применения.

Спасибо за внимание! Следующая статья будет авторская, на тему производства СВЧ-плат в России (апдейт прошлогодней статьи). В моём ВК недавно вышла статья про измерения полосовых фильтров на Wangling.