為符合寬頻與高速傳輸的應用需求，無線傳輸頻率由過去sub-6G提高至數十GHz，因應5G行動通訊發展，目前以晶片大廠所代表的通訊聯盟，採取使用技術上比較可行的方案—28 GHz毫米波通訊頻段。在毫米波通訊之傳輸要求下，與訊號傳輸相關之基板材料成為一關鍵開發領域，新的毫米波通訊材料具有其開發價值。然而對於毫米波頻段下之材料介電特性，尚缺乏穩定、全頻與多種厚度之準確的量測方法。
本文將從以下大綱，介紹工研院材化所耗時五年、最新開發之毫米波頻段材料介電特性量測系統，此系統可量測厚度10 μm~1 mm、介電常數1.05~50、介電損耗0.0001~0.05之介電材料特性，是兼具多點量測及厚、薄板樣品之自動化量測方案。
‧前言
‧產業現況
‧量測技術瓶頸
‧iProphet毫米波材料介電量測系統
‧量測案例與實證
‧結語
【內文精選】
產業現況
目前業界已有提供幾種測試夾具與對應之測試規範，以符合應用上之需求，如：③Fabry-Perot開放式共振器是目前常見應用於毫米波頻段介電特性的量測方法。其利用兩個較大之反射鏡面將電磁波訊號集中於兩鏡面中央，適合量測大尺寸低損失(High Q Factor)材料。目前商品夾具分別為Damaskos的900T（可測範圍為20 GHz~100 GHz），以及Keycom的JIS R 1660-2規範之DPS03 Fabry-Perot Resonator系統，兩者皆採用Confocal Fabry-Perot Open Resonator方式進行測試，並依據其向量網路分析儀之頻率範圍，目前最高可測達140 GHz，但受限於演算法與結構的限制，量測樣品厚度需小於150 μm。
iProphet毫米波材料介電量測系統
為了克服厚度測試瓶頸，材化所耗費五年的時間，開發並驗證了全新的演算，設計便利使用者量測之操作介面，大幅簡化量測流程。表一為材化所開發之高頻介電材料量測系統—iProphet的系統規格，依據量測頻段的需求分為精簡版與專業版兩種。精簡版主要鎖定5G通訊應用頻段，量測頻率為27~40 GHz。專業版可量測之材料厚度範圍為10 μm~1 mm。本系統之量測範圍可符合目前材料開發商、軟/硬板開發商之量測需求，同時可避免因板材厚度太厚而無法量測的情況。
表一、iProphet系統規格
圖一為iProphet之精簡版套裝方案。其中包含量測頻率由1 MHz~43.5 GHz型號為Anritsu MS46122B網路分析儀、量測治具、Sample Holder、Motion (5 μm/step)、高頻同軸傳輸線、電腦與自動化程式。
圖一、iProphet Lite系統
量測案例與實證
為證明本系統量測之準確性，首先量測二種已知介電常數之參考物質：Quartz、Teflon，再選擇二種目前相當熱門之高頻基板材料進行測試，同時比對不同量測演算法所產生之準確度誤差。
圖五為日系廠商開發之低損耗CCL電路載板，厚度98 μm之量測結果。圖中實心曲線為本系統之量測結果，空心曲線為微擾法之量測結果。測試結果，此材料在40 GHz~100 GHz間之介電常數落在3.27~3.24，介電損耗3.4~4.1×10-3，比對官方數據，與官方公布之量測結果相符。
隨著蘋果手機採用LCP軟板材料後，LCP材料之量測需求也隨著提高。在許多論文中也依據不同之量測方式，驗證其介電材料特性，但顯少有全頻段之特性量測結果。圖六為厚度50 μm LCP軟板之量測結果，圖中可以發現微擾法與本系統之量測數據差異不大，也同時證實微擾法僅適用於<150 μm薄板之量測。而由量測結果也驗證LCP材料在毫米波頻段優越的特性。
本系統採用250 μm之Teflon進行量測不確定度評估，在不同頻率下介電常數之不確定度為0.01，介電損失之不確定度最大為4.047E-5。由評估結果顯示，本系統在介電常數與介電損耗的量測具有良好的穩定性。
材化所電子陶瓷材料及模組實驗室為全台第一個通過微波介電材料量測之TAF認證實驗室（實驗室編號為3327），具有10 GHz SPDR微波材料量測系統認證項目，驗證系統並受ISO 17025規範內容…...以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：盧俊安、陳炯雄、余俊璋／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」382期，更多資料請見下方附檔。