IPC-TM-650 2.5.5.13 解析：分裂圓柱諧振腔 (SCR) 的測試規範重點

在 5G 毫米波 (mmWave) 與車用雷達的材料驗證領域，當頻率跨越 10 GHz 門檻後，傳統的測試方法往往面臨極大的挑戰，對於薄膜 (Films)、樹脂片或覆銅板基材 (CCL) 而言，如何在更高的微波頻段（10 GHz 至 80 GHz 甚至更高）取得可信的介電常數 (Dk) 與損耗因數 (Df)，是研發端最關注的議題。

IPC-TM-650 2.5.5.13 標準所定義的 分裂圓柱諧振腔法 (Split Cylinder Resonator, SCR)，正是為了解決高頻、薄型材料量測而生的非破壞性檢測方案，它由 IPC 與美國國家標準技術研究院 (NIST) 共同制定，目前已成為評估毫米波材料「平面特性 (In-Plane)」的主流標準，本文將深入剖析 SCR 的運作原理、測試流程限制以及工程師在判讀數據時必須注意的「各向異性」陷阱。

什麼是分裂圓柱諧振腔 (SCR)？

SCR 的物理結構非常直觀：它是一個被從中間水平切開的金屬圓柱腔體。

• 結構：由上下兩個半圓柱腔體組成，中間留有一個狹窄的縫隙用於插入片狀樣品。
• 模態：運作於 TE0np 模態（通常為 TE011 或更高階模態），在此模態下，電場沿著圓柱的圓周方向分佈（Azimuthal），這意味著電場向量完全平行於樣品表面。

核心優勢：免疫氣隙與高靈敏度

與 SPDR 類似，SCR 利用電場平行於樣品表面的特性，大幅降低了樣品與金屬腔體之間「氣隙 (Air Gap)」對量測結果的影響，只要樣品平整地放入縫隙中，微小的接觸間隙不會像平行板電容法那樣造成巨大的 Dk 誤差，此外金屬腔體的高品質因子 (Q 值) 設計，使其對極低損耗 (Ultra-low loss) 材料具備優異的解析度，Df 解析度可達 10^-4 等級。

IPC-TM-650 2.5.5.13 測試規範解析

此標準詳細定義了使用 SCR 測量複數介電常數的方法，適用於 10 GHz 以上 的頻率。

適用範圍與頻率

頻寬覆蓋：
雖然標準名稱未限定頻寬，但實務上 SCR 治具通常設計用於 10 GHz 至 80 GHz 的範圍。由於是共振腔，它是「點頻」或「多頻點」測試，同一個腔體可以激發出多個諧振模態（如 TE011, TE012, TE013...），因此單一樣品可以在同一個治具中測得一系列離散頻率點（例如 10, 15, 20, 25 GHz...）的數據，這比 SPDR 僅能測單一頻點更具優勢。
材料形態：
適用於剛性板材、薄膜與軟板。樣品必須大於腔體直徑，且厚度需均勻。

測試流程：空腔與負載的比對

標準測試程序包含兩個階段：

• 空腔量測 (Empty Cavity)：
  在未放入樣品時，透過向量網路分析儀 (VNA) 測量腔體的共振頻率 (f0) 與品質因子 (Q0)，這一步驟確立了背景損耗與基準頻率。
• 樣品量測 (Loaded Cavity)：
  將去除銅箔的樣品插入上下腔體之間，由於樣品的介電常數大於空氣，會導致共振頻率向低頻偏移 (fs)；同時樣品的損耗會導致 Q 值下降 (Qs)。

參數提取演算法

IPC-TM-650 2.5.5.13 的核心在於其複雜的數值運算，不同於簡單的微擾公式，此標準通常採用 嚴格模態匹配法 (Rigorous Mode Matching) 來求解，軟體會建立一個包含腔體尺寸、樣品厚度與待測 Dk/Df 的超越方程式，並透過迭代法收斂出精確解。這使得 SCR 即便在測試較厚樣品或高 Dk 材料時，仍能保持極高的準確度。

關鍵技術解讀：不可不知的細節

陷阱一：平面 (In-Plane) vs. 垂直 (Out-of-Plane) 的差異

這是 SCR 測試中最常被誤解之處，由於 SCR 的電場是環繞樣品表面的（TE 模態），因此它測量的是材料在 X-Y 平面 的介電特性，然而 PCB 傳輸線或天線設計往往更關注垂直於板材方向 (Z 軸) 的特性，對於含有玻璃纖維編織的複合材料 (如 FR4, PTFE 織物基板)，由於纖維結構導致的「各向異性 (Anisotropy)」，SCR 測得的平面 Dk 值通常會比 Z 軸 Dk 值高出 5% 至 20%；SCR 數據非常適合用於進料檢驗 (IQC) 與配方一致性監控，但在進行 3D 電磁模擬時，若直接套用 SCR 數據於 Z 軸參數，必須考慮修正係數或搭配帶狀線法 (IPC-TM-650 2.5.5.5) 進行驗證。

陷阱二：樣品厚度的物理限制

雖然 SCR 是非破壞性的，但樣品不能無限厚。隨著頻率升高（波長變短），如果樣品過厚，可能會在樣品內部激發出不需要的其它電磁模態，或者導致共振峰嚴重變形，一般建議在毫米波頻段，樣品厚度應控制在 0.1 mm 至 0.8 mm 之間（視頻率而定），過厚的樣品不僅難以放入治具，更會引入巨大的量測誤差。

SCR 的開放式結構使其成為溫度特性測試的首選，金屬腔體可以承受寬廣的溫度範圍，配合環境試驗箱，工程師可以自動化執行 -50°C 至 +150°C 的變溫測試，透過追蹤共振頻率隨溫度的飄移，可以繪製出材料的 介電常數溫度係數 (Tcc)，這對於戶外 5G 基地台或車用雷達的可靠度評估至關重要。

結論

IPC-TM-650 2.5.5.13 分裂圓柱諧振腔法，憑藉其寬頻覆蓋 (10-80 GHz)、多頻點測試能力以及優異的溫度適應性，已成為毫米波材料研發不可或缺的工具，雖然其測量結果主要代表平面特性，需注意各向異性的影響，但其高靈敏度與非破壞性特點，使其在篩選低損耗材料與製程監控上具有無可替代的地位。

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