Testmethodfordielectricconstanfrequencyrange—Quasi2023-04-07發(fā)布2023- 2 3 4 4 44符號和縮略語 4 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8 9 2請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)識別專利的責(zé)任。a）根據(jù)發(fā)展需求，增加復(fù)介電常數(shù)的溫漂測試（TCDk、TCDf-65℃~125℃)規(guī)定，補(bǔ)充b）細(xì)化了測試步驟，提高測試的一致性和可重復(fù)性；4毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測試方法準(zhǔn)光腔測試法題。使用者有責(zé)任采取適當(dāng)?shù)陌踩徒】荡胧?，并保證境條件、儀器設(shè)備、樣品要求、測試步驟、計算公式、本文件適用于測試片狀固體材料在毫米波頻段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗下列文件中的內(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界定的術(shù)語和定義適用于本文件。介電常數(shù)dielectricconstant規(guī)定形狀電極之間填充電介質(zhì)獲得的電容量與相同電極之間為真空時的電容量之比。[來源：GB/T2036-1994，6.3.6]介質(zhì)損耗角正切dielectricdissipationfactor對電介質(zhì)施加正弦波電壓時，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，對該損耗角取正切函數(shù)值，即為介質(zhì)損耗角正切值，也稱為損耗因數(shù)。[來源：GB/T2036-1994，6.3.7，有修改]4符號和縮略語ε：介電損耗角正切，同義詞：DfTT采用變頻法進(jìn)行測試，準(zhǔn)光腔諧振腔由一個球面鏡和一個平面鏡構(gòu)成，見圖1，通過測量空腔和加載樣品后的諧振頻率變化以及腔體品質(zhì)因數(shù)Q值的變化，計算被測樣品的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切。測試原理見附錄A。圖1準(zhǔn)光腔結(jié)構(gòu)圖試驗(yàn)環(huán)境條件如下：a)溫度：23℃±2℃,試驗(yàn)時環(huán)境溫度的波動不應(yīng)超過1℃;b)濕度：50%±5%。所需儀器設(shè)備如下：a)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，頻率范圍：25GHz~110GHz；b)準(zhǔn)光腔變溫測試系統(tǒng)，見附錄B；半對稱結(jié)構(gòu)準(zhǔn)光腔測試頻率：25GHz~110GHz；空腔品質(zhì)因子：≥60000；球面鏡粗糙度：Ra0.1；球面鏡加工要求；R0±10μm；d)千分尺，分辨率0.001mm或更好。6樣品要求如下：a)樣品尺寸應(yīng)當(dāng)為直徑50mm的圓片狀樣品或者50mm×50mm的正方形片狀樣品，厚度1mm~3mm；b)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；c)樣品的厚度公差優(yōu)于0.02mm；d)樣品應(yīng)為均勻介質(zhì)，表面光滑平整潔凈，內(nèi)部無不正常的雜質(zhì)和氣孔，在測試前應(yīng)嚴(yán)格清潔和干燥9測試步驟9.1樣品預(yù)處理樣品按以下流程進(jìn)行處理：a)根據(jù)樣品屬性，選擇酒精、異丙醇或者蒸餾水（特殊情況可根據(jù)基板制造商要求使用指定的清洗液）作為清洗液，將樣品完全浸入清洗液中超聲清洗不低于10min；b)c)烘干后，樣品放入干燥皿中冷卻至室溫。d)操作前應(yīng)戴上手套或者用鑷子夾取樣品，請勿用手直接接觸樣品，請勿在樣品上寫字或貼標(biāo)簽等。9.2儀器準(zhǔn)備矢量網(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。9.3樣品尺寸測量使用千分尺測量樣品四邊中點(diǎn)厚度，共計4個點(diǎn)，取平均值并記錄。操作前應(yīng)戴上手套，請勿用手直接接觸樣品，請勿在樣品上寫字或者貼標(biāo)簽，會影響測試結(jié)果。常溫測試程序如下：a)將測試設(shè)備與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接；b)根據(jù)需求設(shè)置掃描頻率，并調(diào)整屏蔽板高度；c)空腔校正，測量空腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；d)將樣品放置在測樣品品臺上，并保證樣品平整地放置在樣品臺中央；e)樣品測試，測量包含樣品時準(zhǔn)光腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；f)使用自動測量讀取數(shù)據(jù)軟件直接計算介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，并記錄；g)測試不同頻段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，重復(fù)步驟9.4b）～9.4f）。高溫測試程序如下：a)同9.4a）～9.4b）；b)密封測試設(shè)備；c)設(shè)置測試系統(tǒng)溫度，開始升溫，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度值后，溫度穩(wěn)定至少15分鐘；d)待溫度穩(wěn)定后，空腔校正，測量空腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；e)設(shè)置測試系統(tǒng)至常溫（25℃),開始降溫，當(dāng)測試系統(tǒng)達(dá)到常溫后，將樣品平整地放置在樣品臺f)重復(fù)步驟9.5b）～9.5c）；g)待溫度穩(wěn)定后，開始測試，測量包含樣品準(zhǔn)光腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；h)使用自動測量讀取數(shù)據(jù)軟件直接計算介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，并記錄；i)測試不同溫度的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，先將測試系統(tǒng)降溫至常溫狀態(tài)，重復(fù)步驟9.5b）~9.5h）。9.6低溫測試低溫測試程序如下：a)打開測試系統(tǒng)的低溫恒溫反應(yīng)浴，調(diào)成制冷模式，設(shè)置所需達(dá)到的溫度，一般低溫恒溫反應(yīng)浴溫度設(shè)置為低于測試溫度20℃以上，對低溫恒溫反應(yīng)浴進(jìn)行降溫處理；b)同9.4a9.4bc)密封測試系統(tǒng)，并對測試設(shè)備適當(dāng)抽真空；d)設(shè)置測試系統(tǒng)溫度，開始降溫，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度值后，溫度穩(wěn)定至少15分鐘；e)待溫度穩(wěn)定后，空腔校準(zhǔn)，測量空腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；f)設(shè)置測試系統(tǒng)至常溫（25℃),開始升溫，當(dāng)測試設(shè)備加熱至常溫，將樣品平整地放置在樣品臺g)重復(fù)步驟9.6c9.6dh)待溫度穩(wěn)定后，開始測試，測量包含樣品準(zhǔn)光腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；i)使用自動測量讀取數(shù)據(jù)軟件直接計算介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，并記錄；j)測試不同溫度的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，先將測試系統(tǒng)升溫至常溫狀態(tài)，重復(fù)步驟9.6a）~9.6i）。），介電常數(shù)溫度系數(shù)按公式（1）計算。介電損耗角正切溫度系數(shù)按公式（2）計算。8系統(tǒng)誤差為：1）常溫系統(tǒng)誤差：I?ε?εI≤2.5%；ε2）高溫/低溫系統(tǒng)誤差：I?ε?εI≤2.5%；ε注意事項(xiàng)如下：a)定期清潔測試頭、標(biāo)準(zhǔn)物、夾具；b)定期清理樣品臺，使用柔軟的小毛刷輕拭樣品臺表面，切勿按壓擦拭(若被測樣品如有顆粒粉末灰塵，需在測試完畢后立即對樣品臺進(jìn)行清理)；c)保持測試夾具內(nèi)部環(huán)境干燥，可在清理樣品臺后，關(guān)閉蓋子放置干燥劑，若有條件的可再充入氮?dú)鈊)拆卸電纜、波導(dǎo)時，動作輕柔，使用專用工具拆卸；e)測試過程中應(yīng)佩戴連接至設(shè)備的防靜電手環(huán)；f)連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀電纜時，應(yīng)使用制造供應(yīng)商提供的的力矩扳手旋緊；g)高/低溫測試時，被測樣品不能與樣品臺發(fā)生反應(yīng)。試驗(yàn)報告包括但不限于以下內(nèi)容：a)對于常溫測試，試驗(yàn)報告應(yīng)當(dāng)包括下列內(nèi)容：1)測試環(huán)境（溫度、濕度2)測試頻率；3)樣品厚度；4)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；5)樣品預(yù)處理?xiàng)l件；6)試驗(yàn)中的異常情況或與規(guī)定程序的差異和偏差。b)對于高/低測試，試驗(yàn)報告應(yīng)當(dāng)包括下列內(nèi)容：1)測試環(huán)境（溫度、濕度2)測試頻率；3)樣品厚度；4)測試溫度（T1、T25)測試溫度（T1、T2下的介電常數(shù)Dk(T1)、Dk(T2)和介質(zhì)損耗角正切Df(T1)、Df(T2)；6)介電常數(shù)溫度系數(shù)TCDk和介質(zhì)損耗角正切溫度系數(shù)TCDf計算結(jié)果；7)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值的隨溫度變化的曲線圖；8)樣品預(yù)處理?xiàng)l件；9)試驗(yàn)中的異常情況或與規(guī)定程序的差異和偏差。A.1介電常數(shù)測試原理A.1.1準(zhǔn)光腔內(nèi)的場以高斯波束的形式傳播，將圖1中準(zhǔn)光腔內(nèi)部劃分為兩個區(qū)域，V1表示放入介質(zhì)區(qū)域，V2表示空氣區(qū)域。在V1區(qū)域，束腰位置可知為z=0，最后得到V1區(qū)域的場內(nèi)見公式（A.1）和公式（A.2）：式中參數(shù)見公式（A.3）：A.1.2在V2區(qū)域，設(shè)腰束位置在z=z2處，可得V2區(qū)域內(nèi)的場見公式（A.4）和公式（A.5）：式中參數(shù)見公式（A.6）：R(z)——波前曲率半徑；φ——高斯波束的相位。A.1.3準(zhǔn)光腔內(nèi)的場以高斯波束的形式存在，高斯波束在兩個區(qū)域的交界處滿足邊界條件，將分界面處的高斯波束進(jìn)行參數(shù)匹配，即滿足z=t時，w(t)=w(t),R1(t)=nR2(t)，帶入公式（A.6），按公式（A.7）計算可得z2：z2=t………………..………（A.7）A.1.4在球面反射鏡處，曲率半徑匹配有R2(t+d)=R0，公式（A.7），按公式（A.8)計算：A.1.5準(zhǔn)光腔內(nèi)邊界條件有球面鏡處切向電場為零，在介質(zhì)和空氣兩個區(qū)域的交界處切向電場相等且磁場連續(xù)即有公式（A.9）：A.1.6經(jīng)過化簡整理得公式（A.10）結(jié)果：tan[nktφ1(t)]=ntan[—kdφ2(t)+φ2(t+d)]（A.10）A.1.7通過以上分析可以得到相對介電常數(shù)計算公式，再通過實(shí)驗(yàn)測得被測樣品的厚度t，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀精確測得諧振參數(shù)，將結(jié)果代入公式（A.11）~公式（A.18）計算，即可得數(shù)值解出被測樣品的介電常tan[nktφr(t)]=tan[—kdφD(t)]..………（A.12）……………….……..…………….（A.18）ε0——真空介電常數(shù)；c——光速，2.998×1011mm/s；w0——束腰半徑；R0——球面鏡的曲率半徑；D——腔長，平面反射鏡和球面反射鏡間的距離；μ0——真空磁導(dǎo)率；d——樣品表面和球面反射鏡間的距離；w——諧振角頻率；n——樣品材料折射率。A.2損耗角正切測試原理A.2.1準(zhǔn)光腔放入樣品前測得空腔的品質(zhì)因數(shù)為Q00，放入樣品后的品質(zhì)因數(shù)為Q0S則樣品損耗引入的品質(zhì)因數(shù)見公式（A.19……………….………..…..…（A.19）A.2.2放入樣品后，準(zhǔn)光腔內(nèi)總儲能按公式（A.20）計算：W=rε0IEx1I2+μ0|Hy1|2)dv+rε0IEx2I2+μ0|Hy2|2)dv}………（A.20）A.2.3樣品材料再一個時間周期內(nèi)的平均功率損耗見公式（A.21A.2.4根據(jù)品質(zhì)因數(shù)計算公式P=wW/P，聯(lián)立公式（A.21）公式，可得介質(zhì)損耗正切計算公式，Q0s和Q0O都是測量值，測試時先測得空腔狀態(tài)下得諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，再測量加載樣品后的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，將計算得到的相對介電常數(shù)帶入損耗角正切值計算公式（A.22）~公式（A.25）后，得到