高頻電路板Dk/Df值量測：材料世界網

前言
在高速電路中，信號的傳播速度與訊號的衰減是兩個相當重要的參數。信號的傳播延遲取決於介電常數 εr ( DielectricConstant; Dk )的大小和傳輸線結構。由於傳播時間與介電常數開根號成正比，若使用低介電常數的基板材料可以減少訊號的傳播延遲，並可降低導線之間的耦合電容值，進而降低訊號之間的串擾( Cross Talk )。

而信號衰減包含導體損耗與介質損耗，其中導體損耗又包含直流電阻損耗、集膚效應造成的交流電阻損耗，以及導體粗糙度( Roughness )造成的損耗；而介電損耗則表示訊號在材料中的損耗，通常以 Loss Tangent 或 Df ( Dissipation Factor )來描述，使用具有低損耗的介質材料可以降低訊號的衰減而提高信號完整性。

而在高頻電路中，由於波長與介電常數開根號成反比，因此使用高介電常數的基板可用來縮小射頻/微波元件的尺寸。對於射頻/微波元件而言，舉凡一些被動元件，如電容器、電感器、諧振器與濾波器等，不同的材料參數會直接影響射頻/微波元件的特性，若無法確切掌握材料參數，模擬出來的元件特性將與實際量測有相當程度的落差。

材料分類簡介
材料的電氣特性主要是由材料的電子能帶決定，能帶分為傳導帶( Conduction Band )、價電帶( Valence Band )和禁帶等，傳導帶和價電帶間的空隙稱為能隙( Energy Gap )。根據能隙的大小，材料可分為絕緣體、半導體和導體，如圖一所示。一般常見的金屬材料，因為其傳導帶與價電帶之間的能隙非常小，在室溫下電子很容易獲得能量跳躍至傳導帶而導電；絕緣材料則因為能隙很大（通常大於 9電子伏特），電子很難跳躍至傳導帶，所以無法導電。一般半導體材料的能隙約為 1至 3電子伏特，介於導體和絕緣體之間，因此，只要給予適當條件的能量激發或是改變其能隙之間距，此材料就能導電。

材料 Dk/Df 值量測方法
2. 共振法
材料 Dk/Df 量測方法可分為諧振法與非諧振法。諧振法( Resonant Methods )由於具有較高精確度和靈敏度，因此被廣泛採用在材料量測上，但是諧振法只能測量材料在單個或多個離散頻率的性質。諧振法包括諧振器法( Resonator Methods )和諧振微擾法( Resonant-perturbation Methods )。在諧振器的方法中，將待測樣品當作諧振器或諧振器的一部分，並從諧振器的諧振特性來計算樣品的電氣特性，如果電場可集中在樣品上，則此方法的靈敏度和準確度會更高，典型的方法為 Courtney Method。此方法通常以低損耗高介質係數 ( 10 < Dk < 100 )材料做成小塊圓柱體，當作微波介質共振器，如圖三所示，常用於陶瓷材料的 Dk/Df 量測。

圖三、Courtney Hold 基本架構

材料量測平台
圖九為工研院開發的材料 Dk/Df 萃取平台，此平台建置了各種計算的模型，包含微帶線T型諧振器法、微帶線環型諧振器法、微帶線傳輸線法與多傳輸線法等。並詳細考慮了各個不連續效應、輻射效應、厚金屬效應、色散效應及導體粗糙度( Roughness )等，亦經過 HFSS( High Frequency Structure Simulator )模擬驗證。使用時僅需輸入基板參數、導體參數與諧振器尺寸便可計算出各個共振點的 Dk/Df 值……以上內容為重點摘錄，如欲詳全文請見原文

圖九、材料Dk/Df 萃取平台