如何滿足 IEC 61189-2-721？ 銅箔基板 (CCL) 的國際測試標準指南

 

在全球化的電子材料供應鏈中，銅箔基板 (CCL) 與印刷電路板 (PCB) 材料的規格驗證，已不再僅限於單一國家或區域的標準，對於希望打入歐洲市場或符合國際招標規範的材料商而言，IEC 61189-2-721 是必須跨越的技術門檻。

這份由國際電工委員會 (IEC) 制定的標準，確立了使用 分裂柱介電諧振器 (SPDR) 測量微波頻段下 CCL 相對介電常數 (Dk) 與損耗因數 (Df) 的標準方法，與 IPC-TM-650 2.5.5.15 高度對應，此標準特別針對 1 GHz 至 20 GHz 的頻率範圍，提供了一套非破壞性且高精度的測試準則，本文將深入解析該標準的技術核心、樣品製備要求以及測試流程的關鍵細節。

標準核心技術：為何指定 SPDR？

IEC 61189-2-721 明確指定使用 分裂柱介電諧振器 (Split Post Dielectric Resonator, SPDR) 作為測試治具，這項選擇基於其獨特的物理特性，能有效解決傳統傳輸線法或電容法在高頻測試中的痛點。

TE01δ 模態的物理優勢

該標準利用 SPDR 激發出的 TE01δ 共振模態，在此模態下電磁場在共振腔內呈現環狀分佈，且電場向量完全平行於待測樣品的表面 (In-Plane)，根據電磁邊界條件，電場的切線分量在跨越介質介面（空氣與樣品）時是連續的，這意味著樣品與治具金屬壁或陶瓷柱之間微小的空氣隙 (Air Gap)，不會阻斷電場也不會像平行板法那樣產生串聯電容誤差，因此此方法對樣品厚度的公差與放置的平整度具有極高的容忍力，是目前業界公認測量硬質基板最準確的方法之一。

非破壞性檢測 (Non-destructive)

不同於帶狀線法需要將樣品加工成特定線路，IEC 61189-2-721 允許使用整片平面樣品進行測試，測試後樣品保持完整，這對於產線的進料檢驗 (IQC) 或昂貴材料的研發驗證極具價值。

測試規範重點解析

適用範圍

• 頻率： 標準定義的有效頻率範圍為 1.1 GHz 至 20 GHz。
• 材料： 適用於覆銅板 (CCL)、介電基材、薄膜 (Film) 等平面材料。
• 特性： 主要測量材料在 X-Y 平面 (In-Plane) 的相對介電常數與介電損耗。

樣品製備

標準對樣品狀態有嚴格規定，這是確保數據可信的前提：

• 移除銅箔：
  由於 SPDR 是穿透式量測，對於 CCL 材料，必須通過蝕刻工藝完全移除表面的銅箔，僅保留介電層，蝕刻後需徹底清潔，避免殘留化學物質影響損耗讀數。
• 尺寸要求：
  樣品的長寬尺寸必須大於諧振腔的金屬外殼開口直徑，以確保電磁場完全覆蓋樣品，例如，在 1.1 GHz 低頻測試時，可能需要 130mm x 130mm 的大樣品；而在 20 GHz 高頻測試時，樣品尺寸可縮小至 15mm x 15mm 左右。
• 厚度限制：
  樣品厚度必須小於諧振腔的間隙高度 (hg)。標準建議，在治具允許範圍內，樣品越厚，量測誤差越小。對於極薄的薄膜，允許將多層樣品堆疊測試（建議堆疊後厚度大於 0.4mm），且層間的空氣隙不會影響測量結果。

測試流程

標準化的測試包含兩個主要步驟，透過向量網路分析儀 (VNA) 執行：

• 步驟一：空腔校正 (Empty Cavity)
  在未放入樣品時，測量諧振腔的共振頻率 (f0) 與品質因子 (Q0)，這一步驟確立了系統的基準線，並扣除金屬腔壁的導體損耗。
• 步驟二：負載量測 (Loaded Cavity)
  將處理好的樣品插入 SPDR 的縫隙中。樣品的介電常數會導致共振頻率向低頻偏移 (fs)，而樣品的介電損耗會導致 Q 值下降 (Qs)。

數據計算

IEC 61189-2-721 強調不應使用查表法 (Lookup Tables)，相對介電常數 (Dk) 與損耗因數 (Df) 應透過嚴格的電磁場解算公式獲得。

• Dk 計算： 基於頻率偏移量 (f0 - fs) 與樣品厚度。
• Df 計算： 基於品質因子的變化 (1/Qs - 1/Q0)。由於 SPDR 的金屬損耗已被校正，且輻射損耗極低，量測到的 Q 值下降幾乎完全由材料本身的損耗決定，因此能提供極高的損耗解析度（可達 0.0001 至 0.00001）。

常見問題與技術挑戰

• 環境影響：
  標準建議在 23 加減 2°C 的環境下進行測試，且樣品應預先進行環境調節，水分子是極性物質，會顯著增加 Df 值，因此濕度控制至關重要。
• 厚度量測誤差：
  Dk 的計算對樣品厚度非常敏感，工程師應使用高精度的測微器，在樣品測量區域取多點平均值，以降低厚度不均帶來的誤差。

遵循 IEC 61189-2-721 標準，意味著您的材料測試數據具備了國際公信力，SPDR 方法憑藉其對氣隙的免疫力、非破壞性特點以及對低損耗材料的高靈敏度，已成為 CCL 與 5G 材料研發的基準方法，對於追求高品質與國際市場的製造商而言，建立符合此規範的測試能力是不可或缺的投資。

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