TCSTM 00986-2023 高頻介質(zhì)基板的復(fù)介電常數(shù)測試 平衡型圓盤諧振器法

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T/CSTM00986—2023高頻介質(zhì)基板的復(fù)介電常數(shù)測試平衡型圓盤諧振器法Testmethodforthecomplexpermittivityofhigh-frequencydielectricsubstrates－Balanced-typecirculardiskresonatormethod2023-04-07發(fā)布 2023-07-07實(shí)施中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟 發(fā)布T/CSTM00986—2023T/CSTM00986—2023PAGEPAGE10目 次前言 2引言 31范圍 42規(guī)性用件 43術(shù)和義 44符和略語 45原理 56環(huán)條件 57儀設(shè)備 68樣要求 69測步驟 69.1品處理 69.2器備 6品寸量 69.4品裝 69.5溫試 610意項(xiàng) 711驗(yàn)告 7附錄A（料）電數(shù)和質(zhì)耗正計(jì)算 8附錄B（料）試統(tǒng)連框圖 11附錄C（料）品備與裝 12附錄D（料）草位和要草人 13前 言本文件參照GB/T1.1—2020120001.4—20154請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由中國材料與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)電子材料領(lǐng)域委員會(huì)（CSTM/FC51）提出。本文件由中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)電子材料領(lǐng)域委員會(huì)（CSTM/FC51）歸口。引 言5GHz~170GHz5GHz~170GHz；高頻介質(zhì)基板的復(fù)介電常數(shù)測試平衡型圓盤諧振器法范圍本文件規(guī)定了介質(zhì)基板在微波和毫米波頻段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的平衡型圓盤測試方法，包括原理、環(huán)境條件、儀器設(shè)備、樣品要求、測試步驟、注意事項(xiàng)和試驗(yàn)報(bào)告等內(nèi)容。本文件適用于測試片狀材料在微波和毫米波頻段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，電場垂直于平板表面。頻率測試范圍：??=5GHz~170GHz；介電常數(shù)測試范圍：????=2.0~10.0；損耗角正切值測試范圍：tanδ=1.0×10?4~1.0×10?2。下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T2036印制板電路術(shù)語GB/T2036界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1dielectricconstant[來源：GB/T2036-1994，6.3.6]3.2介電損耗角正切dielectricdissipationfactor對(duì)電介質(zhì)施加正弦波電壓時(shí)，通過介質(zhì)的電流相量超前于電壓相量間的相角的余角稱為損耗角，對(duì)該損耗角取正切函數(shù)值，即為介質(zhì)損耗角正切值。[來源：GB/T2036-1994，6.3.7，有修改]：真空介電常數(shù)，約等于8.854187817×10-12F/m：，相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部，簡稱介電常數(shù)，同義詞：Dk：，介電損耗角正切，同義詞：Dft：金屬圓盤厚度，mmd單片樣品厚度，mmR：金屬圓盤半徑，mma耦合孔半徑，mmM耦合孔高度，mmf諧振頻率，HzQ：品質(zhì)因數(shù)原理R的薄型金屬圓盤夾在一對(duì)具有相同厚度t和介電特性εr'和tanδ的待測電介質(zhì)基板樣品之間，然后整個(gè)樣品夾在兩個(gè)平行的金屬板之間。諧振器由耦合探針通過半徑為a和長度為M的耦合孔f和品質(zhì)因數(shù)即可計(jì)算得到樣品的介電常數(shù)和損耗角正切。計(jì)算公式參見附錄A。在測量時(shí)，采用TM0m0模式，因此只有與樣品平面垂直方向的電場分量。圖1諧振器結(jié)構(gòu)示意圖試驗(yàn)環(huán)境條件如下：a)溫度：23℃±2℃；b)濕度：50%±5%。所需儀器設(shè)備如下：80dB；B；?2高溫干燥箱，溫度能滿足105+5℃；?20.001mm；0.01mm。樣品要求如下：2塊/65mm×65mm定尺寸；樣品厚度t為0.1~2m（具體視 、 以及測試的頻率范圍而定，厚度公差≤0.01；若基板為表面覆金屬箔，應(yīng)當(dāng)用蝕刻方法去除掉所有的金屬箔并清洗干凈；處理。樣品按以下流程進(jìn)行處理：（特殊情況可根據(jù)基板制造商要求使用指定的清洗液10min；樣品清洗后，將試樣應(yīng)置于105+5℃高溫干燥箱中烘干處理2h+10min；?2 ?0烘干后，樣品應(yīng)放入干燥皿中冷卻至室溫（23℃2℃，冷卻后存儲(chǔ)時(shí)間不超過45in；操作前應(yīng)戴上手套或者用鑷子夾取樣品，請(qǐng)勿用手直接接觸樣品，請(qǐng)勿在樣品上寫字或貼標(biāo)簽等。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)在校準(zhǔn)周期內(nèi)進(jìn)行檢定，按照制造廠家給定的開機(jī)預(yù)熱時(shí)間進(jìn)行預(yù)熱或至少開機(jī)預(yù)熱30min，使儀器達(dá)到穩(wěn)定。使用千分尺測量樣品四邊中點(diǎn)厚度，共計(jì)4個(gè)點(diǎn)，取平均值并記錄。操作前應(yīng)戴上手套，請(qǐng)勿用手直接接觸樣品，請(qǐng)勿在樣品上寫字或者貼標(biāo)簽，會(huì)影響測試結(jié)果。樣品安裝參見附錄C。常溫測試步驟如下：將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩個(gè)端口通過電纜連接，進(jìn)行直通校準(zhǔn)或響應(yīng)校準(zhǔn)；接口與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的雙端口連接；通過調(diào)節(jié)上下兩塊金屬板之間的距離，對(duì)樣品施加適當(dāng)?shù)膲毫Γㄍ扑]施加壓力：①軟板：200kg；②硬板：250k；設(shè)置掃描頻率，觀察所要測試頻率范圍內(nèi)的諧振峰值；-40或設(shè)備要求值；fQ；使用自動(dòng)測量讀取數(shù)據(jù)軟件直接計(jì)算介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，并記錄；9.5d~9.5g)。注意事項(xiàng)如下：測試過程中應(yīng)佩戴連接至設(shè)備的防靜電手環(huán)；連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀電纜時(shí)，應(yīng)使用制造供應(yīng)商提供的力矩扳手旋緊；定期清潔測試頭、標(biāo)準(zhǔn)物、夾具；定期對(duì)于壓力表進(jìn)行標(biāo)定；定期檢查上下金屬板是否變形，若已變形請(qǐng)及時(shí)更換；諧振器的諧振頻率降低量小于×5×10?4時(shí)，可選擇該壓力為正常測試壓力；特性變化。若檢驗(yàn)結(jié)果超出誤差要求，則需要重新對(duì)金屬板的表面進(jìn)行處理，更換金屬圓盤。試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括但不限于以下內(nèi)容：測試環(huán)境（溫度、濕度；測試頻率；樣品厚度；測試頻率下的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值的測試值以及平均值；試樣預(yù)處理?xiàng)l件；試驗(yàn)中的異常情況或與規(guī)定程序的差異和偏差。附錄A（資料性）介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切計(jì)算利用模式匹配算法理論推導(dǎo)得到平衡型圓盤諧振器的待求解方程（A.1）和（A.2），通過代入金屬圓TM0m0模式的諧振頻率f0和空載Q值Qu板的εr'和tanδ，其中準(zhǔn)確考慮了耦合孔的影響：…………（A.1）……（A.2）其中，矩陣元素表達(dá)式如（A.3）和（A.4）……（A.3）………………（A.4）式中：H——是由模式匹配法推導(dǎo)出的N×N矩陣，矩陣元素為Hlq；N——是模式匹配分析的級(jí)數(shù)展開項(xiàng)數(shù)；δlq——是Kroneckerδ函數(shù)；????——是耦合孔區(qū)域的傳播常數(shù)；????——是介質(zhì)區(qū)域的傳播常數(shù)；??1(??)——是1階第一類貝塞爾函數(shù)；vq——是1階第一類貝塞爾函數(shù)的第q個(gè)根；??0(??)——是0階第一類貝塞爾函數(shù)；up——是0階第一類貝塞爾函數(shù)的第pQc——是由于導(dǎo)體損耗引起的Q值；W1和W2——分別是存儲(chǔ)在介質(zhì)材料區(qū)域和耦合間隙中的電能。W1和W2由模式匹配分析計(jì)算得出，Qc可以近似為公式（A.5）：…………………（A.5）式中：——導(dǎo)體的趨膚深度；——導(dǎo)體的電導(dǎo)率，可以通過雙介質(zhì)諧振器法或圓柱腔法測量；——真空磁導(dǎo)率，約等于4π×10-7N·A-2。最高可測量頻率受以下三個(gè)截止頻率的限制：用于激勵(lì)諧振器的同軸線的截止頻率fcCoax；耦合孔的截止頻率fcHole；通過介質(zhì)樣品的徑向輻射的截止頻率fcRad。fcHole為半徑為a的圓形波導(dǎo)的TM01模式的截止頻率，由公式（A.6）給出：……（A.6）式中：χ01——是J0(x)=0的第一個(gè)根，其值約為2.4048；J0(x)——是0階第一類貝塞爾函數(shù)。fcRad由樣品厚度t和相對(duì)介電常數(shù)εr'確定，由公式（A.7）給出：…………………（A.7）式中：c——真空中的光速，2.99792458×1011mm/s。圖A.1顯示了在R15mma0.5mmM5mm時(shí)TM0m0模式f0和εr'A.1a)和b)分別對(duì)應(yīng)樣品厚度d=0.5mm和d=0.3mm。d=0.5mmd=0.3mm圖A.1諧振頻率與相對(duì)介電常數(shù)之間的關(guān)系εr'tanδfQ通過估計(jì)模式匹配分析誤差的影響來評(píng)估。附錄B（資料性）測試系統(tǒng)連接框圖圓盤諧振器法測試系統(tǒng)包含矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、平衡型圓盤諧振器等，測試系統(tǒng)連接框圖如圖B.1所示。圖B.1測試系統(tǒng)框圖T/CSTM00986—2023附錄CT/CSTM00986—2023附錄C（資料性）PAGEPAGE12樣品制備與安裝被測樣品為兩塊試樣片，尺寸要求如圖C.1所示。試樣片的長度、寬度和厚度偏差應(yīng)小于±0.01mm。試樣片按要求加工后，測試樣品的厚度尺寸，并作記錄，以便測試時(shí)輸入樣品尺寸數(shù)據(jù)。圖C.1樣品圖紙安裝前應(yīng)先測量好樣品厚度尺寸，并記錄數(shù)據(jù)。將被測樣品裝入夾具中，安裝過程如下：將固定有耦合探針的下金屬板平放在支撐平臺(tái)上；在下金屬板上放置一塊被測樣品，被測樣品的邊緣應(yīng)與金屬板的邊緣基本重合；保證金屬圓盤在樣品和金屬板的中心處，被測樣品和金屬板的邊緣基本重合；在金屬圓盤上方放置另一塊被測樣品；放置另一塊固定有耦合探針的金屬板；TM0m015dBc.2b)~c.2f)。T/CSTM00986—2023附錄DT/CSTM00986—2023附錄D（資料性）PAGEPAGE13起草單位和主要起草人本文件起草單位：電子科技大學(xué)，工業(yè)和信息化電子第五研究所，中國測試技術(shù)研究院，成都恩馳微波科技有限公司，常州中英科技有限公司，浙江華正新材料股份有限公司。本文件主要起草人：余承勇，何驍，李恩，張?jiān)迄i，李興興，高沖，高勇，朱輝，賀光輝，陳澤堅(jiān)，李燦平，俞丞，任英杰。T/CSTM00986—2023參考文獻(xiàn)T/CSTM00986—2023參考文獻(xiàn)PAGEPAGE14HHASUIKE,K.I.,YandMA,Z,"Multi-FrequencyMeasurementsofComplexPermittivityofDielectricPlatesusingHigher-OrderModesofaBalanced-TypeCircularDiskResonator,"EuropeanMicrowaveConference,Manchester,2006,pp.388-391.NAKATSUTSUMI,J,YandMA,Z."Discussionsonmeasurementaccuracyofcomple