本文使用穿透反射线法兴四分之一波长法，对印刷电路板基板量测其等效介电常数。 透过对工层板基板材质的研究，可掌握传轮线特性阻抗兴介电常数关系， 以及防焊漆对微带线特性阻抗的影响，进而精准控制传轮线特性阻抗， 以使得设计值兴实际值控制在容许误差范围值内。

前言

近来印刷电路板上高速电路设计需求日增，对传轮线特性阻抗值，关键就在基板材质的掌握。其中，基板介电常数会随频率上升而下降，本文采用穿透反射法（TRL）

（1）（2）对基板介电常数做宽带量测.

另外,采用四分之一波长法(3)针对特定点频率做单点量测,将两种量测 方法的量测结果做比较,以确认量测准确性.同时比较基板有无覆盖防焊漆时, 覆盖介质对微带传轮线特性阻抗影响.

经由量测所得到基板介电常数,可进量推导出传轮线传轮线传轮速度 (Propagaion Velocity),以了解传轮线单长度传轮延迟(Propagaion delay), 同时可以得知基板介质正切损耗(tangentloss),便于决定材可适用带宽,藉由对 二层皮基板的研究,可扩展至多层板时所遇到不同板材压合后之材质量测应用上, 透过对基板材质的了解,达到xx控制传轮线特性阻抗之目的.

穿透反射线法

图1为穿透反射线模型.设计三种线段长来量测100MHZ-12GHz频段介电常数 对频率变化关系,表1为频段划分兴线长定义,穿透校正器长度为1.反射校长度 为0.5.将纲路分析仪的参考平面先校正至Coaxial Cable SMA接头端,然后使 用三线段及空透、反射校正器再做TRL*校正.

(表1 频段划分兴线长定义)

图1穿透反射线模型

纲路分析仪的参考平面经TRL*校正后，将移到穿透线段中间位置，呼叫该组校正资 料后依序量测三组线长，即得到去埋（de-embedded）S参数，利用穿透反射线理谕， 即得传播常数及等介电常数。公式如下：

由等效介电常数导引出介电常数（4）公式如下：当W/H≤1时，

其中，W为线宽，H为迭层厚度。由以上公式得知，基板介质正切实可行损耗为：

四之一波长法

图2为四分之一波长法，开路线长为1。当传轮线为开路时会形成截波影应，透过纲路分 析仪量测共振点，找出S21波形{zd1}点时频率fo，其值勤为S21RES，及两倍功率带宽△fo， 据量测所得资料代入下列公式：

LE为开路端边际效应(fring-ing effct)(5)所增加线段长度.衰减常数为:

而表2为开路线长兴频率定义.

介电常数量结果兴分析

针对此研究于此设计二种电路板，一种为覆盖焊漆另一种则无防焊漆，其材质均为FR4，因 FR4材质适用频率一般均在3GHz以骨，故将量测频段锁定100MHZ-3GHz，分别探讨介常数兴 频率及防焊漆之关系，另外，亦比较穿透反射线法及四分之一波长法，确认量测之准确性。

表2四分之一波长法开路线长兴频率定义

穿透反射线法

如图3所示,可以清楚地看电系数随频率逐减速情形,另覆盖防焊漆之介电系数会比无防 焊漆业得高,这是因为无防焊漆为surface microstrip line而有防焊漆则为embeded microstrip line 之缘故.

四分之一波长法

图4及图5分别为四分之一波长法在1GHz有无覆盖防焊漆时,利用纲路分析仪锁量测到的S21波形, 其共振频率有明显的不同,加防焊漆时之共振频率大于无防焊漆时之共振频率.由化式(11)得知 等效介电常数兴共振率成反比,故覆盖防焊漆之介电系数会比无防焊漆来得高,兴穿透反射线法 之结果可相印证,而四分之一波长法介电系数兴频率及防焊漆之关系则如图6所示.

穿透反射线法及四分之一波长法之比较

表3及表4分别为穿透反射线法及四分之一波长法有无覆盖防焊漆时之比较表,由表中得知两种 方法量测值瞒相近,因此可以验证此量测研究之准确性.

表4穿透反射线法及四分之一波长法无防焊漆时比较表

结论

对于高PCB的设计,其中最重要的是对特性阻抗之控制,因为特性阻抗对于信号完整性(signal lntegrity)有决定性影响,而要设计精准特性阻抗,其中的关键则是对介电常数之掌控,故本文 针透反射线法及四分之一波长法PCB最常用材质FR4基板做量测研究,包括介电常数兴频率之 反比关系、覆盖防焊漆对介电常数之影响，并将两种方法所量测之数值做比较，以验证量测 之可靠性。

图6四分之一波长介电系数兴频率及防焊漆之关