Измерения диэлектрических характеристик материалов микрополосковых печатных плат

Известны множество методов измерения характеристик диэлектрических материалов печатных плат – от простого измерения емкости листа заданной площади на низкой частоте до высокочувствительных волноводно-резонансных СВЧ методов измерения, представленных в рекомендациях фирмы Keysight Technologies [1] и другой литературе [2]-[3].

Существует ГОСТ, определяющий методики выполнения измерений характеристик диэлектриков в диапазоне сверхвысоких частот" [4].

Нас в данном случае интересует более простой вопрос – как обеспечить совпадение расчетов микрополосковых линий и более сложных микрополосковых СВЧ устройств, изготовленных по технологии печатных плат на высокочастотных материалах, с результатами измерений реальных образцов и в какой мере можно доверять приведенным в спецификациях характеристикам материалов. Не всегда физические характеристики объемного образца диэлектрика совпадают с данными, полученными в измерениях на тонких микрополосковых платах. Примером может служить спецификация ламината Rogers RO4003C [5], в которой собственно диэлектрик имеет диэлектрическую проницаемость e=3,38, но в расчетах рекомендуется использовать значение e=3,55.

Чаще всего для оценки характеристик подложек микрополосковых печатных плат используются метод измерения резонансных частот шлейфных или кольцевых резонаторов, и дифференциально-фазовый метод при сравнении длинных линий передачи [6], [7].. Измеренные S-параметры тестовых образцов сравниваются с результатами моделирования тех же структур с подстройкой в моделях диэлектрической проницаемости e и тангенса угла диэлектрических потерь tgd для максимального соответствия измеренным данным.

Недостатком методики из [6] является то, что для каждой требуемой частоты измерения предлагается свой размер кольцевого или шлейфного резонатора, а само измерение и сравнение с моделированием производится только на первой гармонике резонанса, что снижает точность оценки из-за недостаточной разрешающей способности и увеличивает количество измерений и циклов моделирования.

В работе [7] тестовая структура кольцевого резонатора исследуется в широком диапазоне частот, включая высшие резонансные гармоники. Чувствительность измерений к вариациям диэлектрической проницаемости и потерь материала возрастает пропорционально номеру гармоники за счет увеличения электрической длины резонатора. 

Рекомендации этих двух работ использованы в настоящем исследовании.

1. Цели настоящей работы:

- определить наиболее простые, но достаточно информативные методы оценки диэлектрической постоянной и потерь материала для СВЧ печатных плат в широкой полосе частот;

- провести измерения изготовленных тестовых структур на различных материалах в одинаковых топологиях и сравнить результаты измерений с расчетными данными;

- подобрать на моделях параметры материала печатной платы (диэлектрической постоянной и тангенса угла потерь) для максимального соответствия расчетных и измеренных данных;

- сравнить характеристики материалов, полученные в результате моделирования с данными, приведенными производителями в спецификации на материалы;

- оценить степень близости характеристик углеводородного, керамического СВЧ ламината dk 3.38 китайского производства и отечественного ФД-СВЧ-3,5 к широко используемому, но запрещенному к поставкам из-за санкций, материалу фирмы Rogers RO4003C.

2. Методика измерений и моделирования

Измерения проведены для трех различных материалов: RO4003C, углеводородного, керамического СВЧ ламината dk 3.38 китайского производства (оба с толщиной диэлектрика 0,508 мм) и ФД-СВЧ-3,5 (толщиной 0,580 мм) на одинаковой топологии (рис.1), включающей в себя как шлейфный и кольцевой резонаторы, так и линии передачи двух различных длин, которые могут быть использованы для калибровки потерь в разъемах.

Ширина печатной платы составляет 40 мм, длина шлейфного резонатора 20 мм, наружный диаметр кольцевого резонатора 15 мм. Ширина проводников соответствует 50-омной линии передачи.

Измеренная толщина диэлектрика для всех образцов в среднем соответствует заявленной производителем. Толщина металлизации слоя проводников и слоя земли на оборотной стороне плат составляет 18 мкм с финишным покрытием из иммерсионного серебра толщиной около 0,4-0,5 мкм.

Для увеличения точности соответствия результатов моделирования и эксперимента в расчете подставлялись измеренные с высокой точностью размеры изготовленных структур (рис. 2) чтобы исключить влияние изменения размеров печатных проводников при травлении.

Рис. 1: Топология и характерные размеры изготовленных структур

Измерения проведены с помощью векторного анализатора цепей Anritsu MS46122A. Для подключения использованы СВЧ торцевые соединители 1493-01A-6 фирмы Southwest Microwave (типоразмер 2,40 мм, полоса частот до 50 ГГц). Калибровка стенда проведена с помощью калибровочной меры Keysight 85564A (0–50 ГГц).

Результаты каждого измерения сохранены в виде файла S-параметров с расширением *.s2p.

Расчет тестовых структур производился программой CST Studio Suite в частотной области (Frequency Domain Solver). Результаты расчета экспортировались в файлы S-параметров.

Визуализация измеренных и расчетных данных далее произведена в программе AWR Design Environment, позволяющей считывать внешние файлы S-параметров и удобно располагать их на одном графике для сравнения.

Верификация моделей структур проведена на материале фирмы Rogers RO4003C, как наиболее изученном, соответствие характеристик которого спецификации подтверждено многолетним опытом применения сотнями компаний в мире.

Сравнение результатов расчета с измеренными S-параметрами изготовленных образцов (рис. 2 и 3) позволяет с достаточной точностью оценить диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь путем подгонки их значений в моделях. В качестве характерных точек для сравнения имеет смысл выделять резонансные точки (минимумы и максимумы кривых) с наиболее резким изменением коэффициента передачи для структуры шлейфного резонатора или коэффициента отражения для структуры кольцевого резонатора.

3. Сравнение результатов измерения с моделированием, оценка характеристик материалов

3.1. Измерение структур на материале RO4003C

Результаты сравнения измеренных и расчетных данных приведены на рис. 2 

Рис. 2: Кольцевой резонатор RO4003C при e=3,59 и tgd=0,008

Рис. 3: Шлейфный резонатор RO4003C при e=3,59 и tgd=0,008

Наилучшее совпадение измеренных и расчетных данных получено для диэлектрической проницаемости e=3,59 и тангенса угла потерь tgd=0,008, что несколько больше, чем значения по спецификации материала (3,55 и 0,0027).

 В спецификации на материал RO4003C [5] диэлектрическая постоянная приведена с разбросом e=3,38±0,03; но для моделирования предлагается использовать значение e=3,55. Более того, в той же спецификации в графике диэлектрической постоянной, измеренной дифференциально-фазовым методом указаны еще большие значения e=3.65 для частоты 10 ГГц и e=3.63 для частоты 30 ГГц. Таким образом, полученное в измерениях значение не выходит за пределы технологического разброса материала по данным производителя.

Расхождение в данных по потерям, возможно, связано с повышенными потерями в проводниках за счет шероховатости их наружной и внутренней (обращенной к диэлектрику) поверхностей. Эти дополнительные потери при моделировании не учитываются и относятся на счет диэлектрических потерь.

Предложенный метод дает достаточно надежные и адекватные результаты оценки характеристик материала печатной платы и применен для исследования материалов углеводородный, керамический СВЧ ламинат dk 3.38 китайского производства (рис. 4, 5) и ФД-СВЧ-3,5 (рис. 6, 7).

Рис. 4: Кольцевой резонатор углеводородного, керамического СВЧ ламината dk 3.38 китайского производства при e=3,63 и tgd=0,007

Рис. 5: Шлейфный резонатор углеводородного, керамического СВЧ ламината dk 3.38 китайского производства при e=3,63 и tgd=0,007

Наилучшее совпадение данных получено для диэлектрической проницаемости e=3,63 и тангенса угла потерь tgd=0,007, что несколько больше, чем значения по спецификации материала (3,38±0.05 и 0,0029). По характеристикам, полученным при подстройке на моделях, материал углеводородный, керамический СВЧ ламинат dk 3.38 китайского производства практически идентичен материалу RO4003C.

Рис. 6: Кольцевой резонатор ФД-СВЧ-3,5 при e=3,62 и tgd=0,004

Рис 7: Шлейфный резонатор ФД-СВЧ-3,5 при e=3,62 и tgd=0,004

Наилучшее совпадение данных получено для диэлектрической проницаемости e=3,62 и тангенса угла потерь tgd=0,004. По диэлектрической проницаемости материал ФД-СВЧ-3.5 практически совпадает с углеводородным, керамическим СВЧ ламинатом dk 3.38 китайского производства.

Полученные в результате сравнения измеренных и подстроенных расчетных данных характеристики исследованных материалов приведены в таблице:

 

Тип материала	Толщина, мм	Шлейфный резонатор		Кольцевой резонатор		По спецификации, на частоте 10 ГГц
		e	tgd	e	tgd	e	tgd
RO4003C	0,508	3,59	0,008	3,59	0,008	3,38±0,03*	0,0021
углеводородный, керамический СВЧ ламинат dk 3.38 китайского производства	0,508	3,63	0,007	3,63	0,007	3,25-3.45	0,006
ФД-СВЧ-3,5	0,580	3,62	0,004	3,62	0,004	3,5	?

* Рекомендуемое значение для расчетов 3,55.

Поскольку измерения единичных образцов не дают представления о статистическом разбросе, как диэлектрических характеристик материалов, так и их геометрических размеров, рекомендуется продолжить исследования с изготовлением подобных тестовых структур из материалов с разной толщиной и из разных партий.

Недостатком измеренного образца на отечественном материале ФД-СВЧ-3,5 является его нестандартная толщина, что не позволяет напрямую применить материал в производстве уже разработанных топологий.

Выводы:

1. Рассмотрены два варианта измерительных резонансных структур на печатной плате:

- на основе разомкнутого шлейфа, включенного в середину линии передачи.

- на основе кольцевого резонатора, включенного в разрыв линии передачи и слабо связанного с линией передачи через зазоры с малой емкостью.

Особенностями предложенных топологий является их простота и возможность корректно измерить все размеры топологии для использования в расчетных моделях с целью исключения эффекта изменения размеров печатной платы в производстве (подтрава проводников).

2. Изготовлены несколько тестовых структур на материалах с сопоставимыми характеристиками: RO4003C, углеводородный, керамический СВЧ ламинат dk 3.38 китайского производства и ФД-СВЧ-3,5 и измерены их S-параметры в диапазоне частот 3-30 ГГц. 

3. Расчет тестовых структур обоих типов производился с учетом реально измеренных с высокой точностью размеров элементов топологий и толщин подложек. При расчете величины e и tgd варьировались для получения максимального приближения друг к другу измеренных и расчетных кривых S-параметров. В результате такого подбора получены оценочные значения характеристики материалов. Моделирование как шлейфного, так и кольцевого резонатора дают одинаковые результаты оценки диэлектрических параметров плат.

Отмечена высокая точность совпадения расчетных S-параметров с результатами измерений тестовых структур на RO4003C при характеристиках материала e=3,59 и tgd=0,008 на частотах до 30 ГГц.

Материалы углеводородный, керамический СВЧ ламинат dk 3.38 китайского производства и ФД-СВЧ-3,5 имеют практически идентичные характеристики, причем диэлектрическая постоянная e=3,62-3,63 чуть выше, чем у RO4003C. Потери углеводородного, керамического СВЧ ламината dk 3.38 китайского производства близки к RO4003C, а вот потери отечественного материала почти вдвое ниже.

Эти материалы также могут быть применены на частотах до 30 ГГц.

При производстве печатных плат, включающих в себя высокодобротные резонансные структуры, например, фильтров и генераторов, имеет смысл сначала протестировать по описанной методике свойства материалов для уточнения размеров требуемых топологий, а уже на следующем этапе приступать к их производству из материала этого же листа или партии.

Источники информации

[1] Основы измерения диэлектрических свойств материалов – Рекомендации по применению. URL: https://journal.radiomera.ru/wp-content/uploads/2022/02/testirovanie-dielektrikov.pdf 

[2] Д. Г. Фомин, Н. В. Дударев, С. Н. Даровских, "Анализ методов измерения диэлектрических свойств материалов в СВЧ диапазоне длин волн": Журнал радиоэлектроники, N6, 2021. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jun21/6/text.pdf

[3] В.А. Иванов , Д. Шеримов, И.А. Токарев , В.А. Репин, "Методика измерения диэлектрических свойств материалов на частоте 2.45 ГГц". URL: https://mwelectronics.etu.ru/assets/files/2021/sbornik/papers/595-599.pdf

[4] ГОСТ Р 8.623-2006 "Относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков. Методики выполнения измерений в диапазоне сверхвысоких частот", М., Стандартинформ, 2008. URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293835/4293835358.pdf

[5] RO4000® Series High Frequency Circuit Materials.  URL: rezonit.ru/upload/spetsifikatsii/Rogers_RO4000.pdf

[6] Измерение диэлектрической проницаемости подложек. URL: https://habr.com/ru/articles/722192/

[7] Рентюк В., Кунрод Д., "Определение параметров материалов печатных плат в миллиметровом диапазоне": "СВЧ Электроника", №3, 2019. URL: https://microwave-e.ru/materials/opredelenie-parametrov-materialov/ 

Сведения об авторах

¹ Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (НИУ МИЭТ), Институт микроприборов и систем управления имени Л.Н. Преснухина (Институт МПСУ),

124498, г. Москва, г. Зеленоград, площадь Шокина, дом 1.

Метельков Павел Вячеславович, начальник отдела Института МПСУ НИУ МИЭТ, pavel_metelkov@mail.ru

Савельев Максим Владиславович, студент магистратуры Института МПСУ НИУ МИЭТ, maksimsaveliev34@gmail.com

Сизов Владимир Иванович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института МПСУ НИУ МИЭТ, vladimirsizov@mail.ru

² Резонит, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, Солнечная Аллея, д. 6

Поликарпов Дмитрий Викторович, руководитель инновационных проектов, d.polikarpov@rezonit.ru

Мы всегда рады сотрудничеству с новыми авторами. Если у вас есть уникальная экспертиза или просто качественный материал, полезный инженерам-разработчикам электроники, мы с удовольствием поделимся им на страницах раздела Авторские статьи. Присылайте свои статьи на почту articles@rezonit.ru