銅箔基板 (CCL) 廠商必看：如何在產線快速進行 Dk/Df 品管 (QC)？

 

在人工智慧 (AI) 伺服器、高效能運算 (HPC) 以及 5G/6G 通訊技術飛速發展的今日，電子產品對於訊號傳輸速度與完整性的要求已達到前所未有的高度，對於位於供應鏈上游的銅箔基板 (CCL) 製造商而言，這不僅是產能的競賽，更是一場關於「材料介電特性」的精密戰爭。

當下游客戶（如 PCB 廠或終端系統廠）要求的介電損耗 (Df) 規格從 0.005 (Low Loss) 一路下探至 0.002 (Ultra Low Loss) 甚至更低時，傳統實驗室那種耗時、費工且依賴人工操作的測試方法，已無法滿足現代化產線對於「高生產量」與「即時監控」的需求，如何在不犧牲量測精準度的前提下，將原本需要數小時的 Dk/Df 驗證過程縮短至數分鐘，成為每一位 CCL 廠研發與品管工程師必須面對的課題；本文將深入剖析適合產線快速導入的 分裂柱介電諧振技術 (SPDR) 與 分裂圓柱諧振技術 (SCR)，解構其符合國際標準 (IPC/IEC) 的運作機制，並探討如何透過自動化軟硬體整合，消除人為誤差，建立一道堅實的品質護城河。

為什麼傳統方法不適合產線 QC？

在探討解決方案之前，我們必須先理解問題的本質，在 PCB 與 CCL 產業中，歷史悠久的測試方法如 IPC-TM-650 2.5.5.5 (帶狀線法/Stripline) 雖然能提供 Z 軸方向的數據，對於電路設計極具參考價值，但將其應用於產線出貨檢驗 (QC) 卻存在致命傷：

1. 樣品製備繁瑣：
   帶狀線法需要將材料蝕刻成特定的線路圖樣，甚至需要堆疊結構，這屬於破壞性且耗時的製程。
2. 人為組裝誤差：
   測試治具的鎖緊壓力、連接器扭力等變數，都會直接影響接觸電阻與空氣隙，進而導致數據波動。
3. 效率低落：
   單一測項的準備與執行可能耗費數十分鐘至數小時，無法應對產線批量生產的抽檢頻率。

因此，產線 QC 需要的是一種非破壞性（針對蝕刻後基材）、對樣品尺寸容忍度高、且讀數快速穩定的技術。

1 GHz - 20 GHz 的 QC 黃金標準：分裂柱介電諧振技術 (SPDR)

針對 20 GHz 以下的頻段，分裂柱介電諧振器 (Split Post Dielectric Resonator, SPDR) 已被公認為 CCL 與 PCB 薄板量測的黃金標準，並被收錄於 IPC-TM-650 2.5.5.15 與 IEC 61189-2-721 國際規範中。

技術核心：TE01δ 模態的巧妙應用

SPDR 的結構由兩個上下對稱的介電諧振器（通常由高品質因數的陶瓷製成）組成，並安裝在金屬腔體內，測試時將已移除銅箔的基材樣品插入上下諧振器之間的縫隙中，其運作原理基於 TE01δ 共振模態，在這個特定的電磁場模態下，電場向量呈現圓環狀分佈，且完全平行於樣品表面 (In-Plane)；這是一個極為關鍵的物理特性，因為根據電磁場邊界條件，電場的切線分量在跨越介面時是連續的；用白話文來說，這意味著電場可以順暢地穿過空氣與樣品的交界處，而不會在「樣品與治具之間的微小空氣隙 (Air Gap)」處產生不連續或電位降。

產線應用的優勢

1. 免疫氣隙誤差：
   由於電場平行於樣品，SPDR 對於樣品平整度或厚度變異的容忍度極高，消除了傳統平行板電容法中最頭痛的氣隙誤差問題。
2. 高靈敏度與解析度：
   SPDR 治具本身具有極高的品質因子 (Q 值，通常 > 10,000)，這使得它對低損耗材料極為敏感，能夠精確分辨出 Df 值在 (萬分之一) 等級的微小差異，非常適合超低損耗等級材料的進料檢驗 (IQC)。
3. 免查表、直接運算：
   現代化的 SPDR 系統已不再依賴傳統的查表法，透過嚴謹的電磁場演算法，軟體可以直接從共振頻率的偏移量與 Q 值的下降量，精確反算出材料的 Dk 與 Df，大幅提升了數據的可信度與追溯性。

操作流程簡化： 在產線實務上，操作員僅需執行兩個步驟：

1. 空腔量測：
   測量未放入樣品時的共振頻率與 Q 值。
2. 負載量測：
   插入樣品，測量頻率偏移與 Q 值變化。 系統即可自動輸出報告，全程僅需數秒鐘。

邁向 5G/6G 毫米波：分裂圓柱諧振技術 (SCR)

隨著 AI 伺服器背板與車用雷達 (77GHz) 的需求興起，測試頻率逐漸跨越 20 GHz 門檻，此時 SPDR 受到尺寸限制已不敷使用，取而代之的是 分裂圓柱諧振器 (Split Cylinder Resonator, SCR)，對應標準為 IPC-TM-650 2.5.5.13。

寬頻掃描與多模態分析

SCR 是一個從中間切開的金屬圓柱腔體，不同於 SPDR 通常是單頻點（如固定在 10GHz），SCR 可以在一個寬廣的頻率範圍內（例如 10 GHz 至 84 GHz）激發出多個共振模態 (TE011, TE013 等)，這表示 CCL 廠商使用一套 SCR 治具，即可在一次樣品裝載中，同時獲得 10GHz, 28GHz, 39GHz, 60GHz 甚至 77GHz 等多個頻點的 Dk/Df 數據，這對於需要提供完整頻譜特性報告給客戶的材料商而言，是極具效率的工具。

解決各向異性 (Anisotropy) 的溝通落差

值得注意的是無論是 SPDR 還是 SCR，其量測的都是材料 X-Y 平面 (In-Plane) 的特性，然而 PCB 設計工程師在進行線路模擬時，往往需要的是 Z 軸 (Out-of-Plane) 的數據（因為訊號與電場主要垂直於板材），對於含有玻璃纖維的 CCL 材料，X-Y 平面與 Z 軸的 Dk 值通常存在差異（各向異性），因此 CCL 廠商在提供 QC 數據時，應明確標示測試方法（如 "Tested by IPC-TM-650 2.5.5.15 SPDR"），並建議客戶在設計初期建立平面與垂直數值的轉換相關性，或搭配 帶狀線法 (IPC-TM-650 2.5.5.5) 進行研發階段的 Z 軸驗證。

自動化：消除人為變數

即使擁有精密的治具與昂貴的向量網路分析儀 (VNA)，若缺乏自動化軟體的輔助，測試過程仍充滿變數，人工手動尋找共振峰 (Peak Search)、計算 3dB 頻寬、讀取數據並輸入 Excel 的過程，不僅效率低落，更容易發生讀數錯誤或計算公式誤用。
新一代的材料量測系統強調 「軟硬體深度整合」：

1. 全自動參數擷取：
   軟體直接透過 LAN 或 GPIB 控制 VNA，自動設定頻率範圍、頻寬 (IFBW) 與功率，程式會自動掃描並鎖定共振頻率 (Fc)，精確擷取品質因子 (Q值) 與插入損耗 (I.L.)。
2. 內建高階演算法：
   系統內建 NIST 迭代法 或 Nicolson-Ross-Weir (NRW) 等符合國際標準的數學模型，將原始 S 參數直接轉換為 Dk/Df，完全排除了人工計算的誤差。
3. 環境溫度補償：
   針對高溫測試需求，自動化系統能結合環境試驗箱，利用 動態幾何尺寸補償 (Dynamic CTE Compensation) 演算法，修正金屬腔體因熱膨脹造成的頻率漂移，確保在高溫環境下數據依然精準。

以「精準」與「效率」贏得訂單

在 AI 與 5G 的時代，CCL 的 Dk/Df 穩定性直接決定了終端產品的效能，對於材料供應商而言，建立一套符合 IPC-TM-650 2.5.5.15 (SPDR) 與 IPC-TM-650 2.5.5.13 (SCR) 標準的快速 QC 系統，不僅是為了滿足客戶規範，更是提升自身製程能力、縮短研發週期的關鍵投資，透過非破壞性的共振腔技術結合自動化軟體，產線品管將不再是生產的瓶頸，而是品質保證的強大後盾。

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