確定電路材料的Dk（介電常數(shù)，εr）和Df（損耗因數(shù)，Tanδ）的測試方法多種多樣，比如IPC有12種確定材料Dk的測試方法，行業(yè)組織、大學(xué)或企業(yè)也有各自的測試方法。我有一本關(guān)于微波材料特性的書籍中介紹了80多種評估電路材料Dk和Df的測試方法。歸根結(jié)底，沒有一種測試方法是完美的，工程師應(yīng)該采用最能呈現(xiàn)出其產(chǎn)品電路形式的測試方法。本文將概述電路PCB材料的測試方法，以及介紹一些常用的確定Dk和Df的測試方法。

材料測試方法

測試高頻電路材料的方法總的可以分為基于原材料測試方法和基于電路的測試方法兩大類?；谠牧蠝y試方法通常使用夾具來評估介質(zhì)原材料特性。這類測試方法僅僅評估原材料的特性，而不包含電路加工變量?；陔娐返臏y試方法利用電路載體，根據(jù)測試的電路性能提取得到Dk（有時(shí)也提取Df）。由于基于材料的測試方法的精度取決于夾具變量，而基于電路的測試方法取決于電路加工的變量，因此，通過這兩種不同類型測試方法得到的Dk/Df值可能并不相同。

同時(shí)，測試方法將根據(jù)電場朝向的不同得到不同方向維度的材料的Dk/Df值。有些測試方法測試Z軸（厚度軸）的Dk/Df值，而有些測試方法則是X-Y平面的Dk/Df值。PCB行業(yè)中使用的大多數(shù)電路材料都是各向異性的，即在每個(gè)方向維度上的Dk/Df都是不同的。因此，如果使用兩種不同的測試方法測試同一個(gè)材料樣品，可能獲得不同的Dk值，但這兩個(gè)值都是正確的。如果材料是各向異性的，在測試相同材料時(shí)，一種方法評估的是材料的Z軸的Dk值，而另一種方法評估X-Y平面的Dk值，因此，兩種不同測試方法會測得不同的Dk值。

測試方法也需考慮的其他因素包括如材料色散、銅箔表面粗糙度以及傳輸/反射技術(shù)的使用等。所有材料都有色散，這意味著Dk將隨頻率的變化而變化。因此，如果對同一材料使用相同的測試方法，但測試頻率不同，Dk值也會存在差異?？偟恼f來，隨著頻率的增加，Dk值將略微減小。

無論原介質(zhì)材料Dk值大小，銅箔表面粗糙度都會減慢信號的波的傳播。信號在介質(zhì)中傳播速率較慢的可以視為介質(zhì)具有更高的Dk值。一些測試方法對銅箔表面粗糙度敏感，而一些測試方法則不敏感。

最后，普遍認(rèn)為，使用諧振的測試方法通常比使用傳輸/反射的測試方法更精確。諧振測試方法通常更精確，但通常只能測試單個(gè)或多個(gè)離散頻率下的Dk結(jié)果。而傳輸/反射法則可以在寬頻帶上給出Dk隨頻率的變化情況。

接下來介紹PCB行業(yè)常用的一些測試方法。

1、IPC-TM-650 2.5.5.5c定義的X波段夾緊帶狀線諧振器測試方法

在層壓板生產(chǎn)完成后，需要蝕刻去除銅箔，僅將介質(zhì)原材料樣品放入夾具中進(jìn)行測試。夾具在中間有非常薄的諧振片，諧振片兩側(cè)是接地面，將待測試介質(zhì)材料（material under test ，簡稱MUT）置于諧振片和接地面之間。當(dāng)夾具通過壓力夾合在一起時(shí)，夾具與被測材料則形成了地-信號-地的帶狀線RF結(jié)構(gòu)，更具體地說就是地-MUT-信號-MUT-地的結(jié)構(gòu)。本測試方法可評估材料Z軸的Dk和Df，其測試頻率可以從2.5 GHz開始到約12.5 GHz的一些離散頻率點(diǎn)。但通常，該測試方法僅評估10 GHz下的相對更為精確的頻率點(diǎn)。

該測試方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，由于夾具里面的殘留空氣（空氣的Dk值約為1）的問題，測得的Dk值有時(shí)會略低于材料的本身的Dk值。另一個(gè)擔(dān)憂是，當(dāng)測試的材料具有高各向異性（在所有3個(gè)軸上的Dk都不相同）時(shí)，諧振峰可能會發(fā)生改變，從而會降低測試Dk的準(zhǔn)確性。這一點(diǎn)往往無需過多擔(dān)心，除非某些材料具有較高的標(biāo)稱Dk值（例如Dk大于6）。較低標(biāo)稱Dk值的材料通常各向異性較小。總的來說，對于電路材料制造商來說，這是一種極好的大批量的測試方法，可用于Dk/Df檢測確保其材料的Dk/Df性能一致。

2、IPC-TM-650 2.5.5.13定義的分體圓柱形諧振器測試方法

該測試方法為圓柱形諧振器，顧名思義，它是分體式的，可以打開和關(guān)閉。在層壓板生產(chǎn)完成后，蝕刻去除所有的銅箔，將待測材料（MUT）放在分體式圓柱形諧振器之間，并將其關(guān)閉后進(jìn)行測試。諧振器有多個(gè)不同的諧振峰，用戶可以選擇以評估Dk和Df，但這些不同的諧振峰的頻率各有不同。該測試方法評估的是材料的X-Y平面的Dk/Df，而不是Z軸方向的Dk/Df。此外，該測試方法也可以與夾緊帶狀線測試方法（Z軸法）測試相同頻率的Dk/Df，所以，如果用這兩種測試方法評估相同材料時(shí)，各自數(shù)據(jù)的對比可以得到被測材料MUT的各向異性。值得注意的是，如果材料是各向異性的，則在使用夾緊帶狀線測試相同材料時(shí)，將與分體圓柱形諧振器測試得到不同的Dk值。

3、微帶線環(huán)形諧振器測試方法

這是一種基于電路的測試方法，環(huán)形諧振器電路設(shè)計(jì)在待評估材料上的作為測試載體。環(huán)形諧振器通常通過開路的50 Ω傳輸線作為饋線，將射頻信號耦合到環(huán)形器諧振電路中（環(huán)形器看起來像一個(gè)非常窄的圓環(huán)）。兩條饋線和環(huán)形諧振器之間的間隙非常關(guān)鍵，間隙區(qū)域的變化可能導(dǎo)致Dk提取不準(zhǔn)確。此外，如果環(huán)形器諧振的完成電路有較厚的鍍銅，對比在完全相同材料上但鍍銅層較薄的相同設(shè)計(jì)的環(huán)形諧振器電路，則較厚的鍍銅電路其間隙區(qū)域?qū)⒃诳諝庵芯哂懈嗟碾妶?，而造成諧振峰偏移。由于鍍銅層的差異，提取得到的電路Dk值也會不同，這樣評估的材料的Dk值就不準(zhǔn)確。耦合間隙和鍍銅厚度的變化是正常的電路加工中的變量，基于該諧振環(huán)電路的測試將不得不包括這一點(diǎn)，但大多數(shù)材料測試并沒有這一變量。鍍銅厚度在PCB制造過程中是一個(gè)自然的固有變量，當(dāng)使用環(huán)形諧振器方法時(shí)，該厚度差異可能導(dǎo)致Dk測試的不準(zhǔn)確結(jié)果。假設(shè)工程師了解鍍銅厚度問題，了解它對Dk提取過程的影響，就可以排除這些變量而找到正確的材料的Dk值。此外，該測試方法也會受銅箔表面粗糙度的影響，而前兩種測試方法并不受粗糙度影響。環(huán)形諧振器評估的是材料的Z軸方向的Dk值。

對于設(shè)計(jì)工程師來說了解材料測試的方法之間的差異非常重要，特別是在比較數(shù)據(jù)表中的Dk和Df值時(shí)。如果數(shù)據(jù)手冊上已有某一Dk/Df值時(shí)，需要注意所采用的測試方法。理想情況下，最好使用相同的測試方法和相同的頻率來比較Dk/Df數(shù)據(jù)。當(dāng)這種要求有時(shí)并不可行時(shí)，如果是不同的測試方法都測試評估的是Z軸方向Dk時(shí)，以大致相同的頻率下來比較也是相對好的對比。

當(dāng)比較材料數(shù)據(jù)表或評估材料特性用于新設(shè)計(jì)時(shí)，更為重要的是，建議咨詢材料制造商以了解獲取得到數(shù)據(jù)表中關(guān)鍵數(shù)據(jù)的測試方法。

審核編輯：湯梓紅