IPC-TM-650 2.5.5.15 解析：針對 SPDR 的標準測試程序與樣品準備

 

在 5G 通訊、車用雷達與高速數位傳輸的材料開發中，介電常數 (Dk) 與損耗因數 (Df) 的精確量測是決定訊號完整性的基石，對於薄膜 (Films)、覆銅板 (CCL) 以及印刷電路板 (PCB) 基材的平面特性 (In-Plane) 分析，IPC-TM-650 2.5.5.15 標準所定義的 分裂柱介電諧振法 (Split Post Dielectric Resonator, SPDR)，無疑是目前業界公認的黃金標準。

與傳統的傳輸線法相比，SPDR 技術具備「非破壞性」與「高靈敏度」兩大優勢，然而要獲得符合 IPC 標準的可信數據，僅有硬體是不夠的，工程師必須深刻理解其背後的物理機制、嚴格的樣品製備規範以及標準化的測試流程，本文將深入剖析 IPC-TM-650 2.5.5.15 的技術核心，為您建立一套精準的材料驗證邏輯。

什麼是 SPDR 技術？ (Split Post Dielectric Resonator)

SPDR 的核心架構包含兩個高品質因子 (High-Q) 的圓柱形介電諧振器（通常為陶瓷材質），分別固定在上下金屬腔體中，中間留有一個狹窄的空氣隙 (Air Gap) 用於放置樣品。

物理機制：TE01δ 模態的應用

SPDR 運作於 TE01δ 模態，在這個模態下，電磁場展現出一種對材料量測極為有利的特性：電場向量呈現環狀分佈，且完全平行於樣品表面 (X-Y 平面)，這是一個關鍵的物理特徵，由於電場與樣品表面平行，根據電磁邊界條件，電場在穿過空氣與樣品的介面時是連續的，這意味著樣品與治具表面之間的微小空氣隙不會造成電場的不連續，從而消除了傳統平行板電容法中極為頭痛的「氣隙誤差 (Air Gap Error)」，這使得 SPDR 成為測量硬質基板與薄膜最準確的方法之一。

共振微擾理論 (Resonance Perturbation)

量測原理基於微波的微擾理論。當一個介電材料樣品插入諧振腔的空隙時，會改變腔體原本的儲能與耗能狀態：

• 共振頻率偏移 (Frequency Shift)
  樣品的介電常數 (Dk) 高於空氣，會導致整個系統的等效電容增加，進而使共振頻率向低頻移動。偏移量越大，代表材料的 Dk 越高。
• 品質因子下降 (Q-Factor Drop)
  材料內部的介電損耗會吸收能量，導致共振峰變寬，品質因子 (Q 值) 下降。Q 值下降得越多，代表材料的 Df 越高。

IPC-TM-650 2.5.5.15 測試標準解析

此標準由 IPC (國際電子工業聯接協會) 制定，專門規範使用 SPDR 方法測量 1 GHz 至 20 GHz 頻段下，覆銅板與介電材料的 Dk 與 Df 值。

適用範圍與限制

• 頻率範圍
  標準涵蓋 1 GHz 至 20 GHz，由於 SPDR 是單頻點諧振，每個治具只能在一個固定的頻率點工作（如 5GHz, 10GHz, 20GHz 等），若需多頻點數據，需更換不同頻率的諧振腔模組。
• 材料型態
  適用於各類平坦的固體絕緣材料，包括 PCB 基板、低損耗聚合物薄膜、玻璃、陶瓷基板等。
• 介電常數範圍
  通常適用於 Dk 值在 2 至 100 之間的材料。
• 損耗解析度
  對於極低損耗材料，損耗角正切 (Loss Tangent) 的解析度遠優於一般傳輸線法。

關鍵步驟一：樣品製備 (Sample Preparation)

依據 IPC-TM-650 2.5.5.15，樣品的品質直接決定了量測的準確度，研發工程師需特別注意以下細節：

• 銅箔移除 (Etching)
  SPDR 是穿透式量測，金屬會完全反射微波。因此，如果是覆銅板 (CCL)，必須將表面的銅箔完全蝕刻乾淨，僅保留介電層，蝕刻過程需均勻，避免殘留銅粒影響 Q 值，或過度蝕刻導致基材表面粗糙度增加。
• 樣品尺寸 (Dimensions)
  樣品必須夠大，以覆蓋諧振腔內部的電磁場分佈區域，雖然電磁場是指數衰減的 (Evanescent field)，但標準通常建議樣品尺寸應超出諧振腔開口一定範圍，一般而言，50mm x 50mm 或更大的樣品是常見規格，具體取決於測試頻率（頻率越低，波長越長，所需樣品越大）。
• 平整度與清潔 (Flatness & Cleanliness)
  樣品必須平整，不可有翹曲，雖然 SPDR 對氣隙不敏感，但嚴重的翹曲會導致樣品觸碰到上下陶瓷柱，造成機械應力或損壞治具，表面應清潔無油污，以免影響損耗讀數。
• 厚度量測 (Thickness Measurement)
  這是誤差的最大來源，SPDR 的演算法需要輸入精確的樣品厚度來反推 Dk，根據靈敏度分析，1% 的厚度誤差會導致約 1% 的 Dk 誤差。因此，必須使用精度達 1µm 的測微器 (Micrometer)，在樣品測量區域取多點平均值。

關鍵步驟二：標準測試流程 (Test Procedure)

• 環境調節
  測試應在標準實驗室環境下進行（通常為 23°C ± 2°C，相對濕度 50% ± 5%），材料應預先在該環境中放置 24 小時以達到吸濕平衡，因為水分子是極性分子，對微波損耗影響巨大。
• 空腔校正 (Empty Cavity Measurement)
  在未放入樣品時，使用向量網路分析儀 (VNA) 測量諧振腔的共振頻率與品質因子，這一步驟建立了系統的基準線，同時扣除了金屬腔壁的導體損耗。
• 樣品加載與量測 (Loaded Measurement)
  將樣品插入 SPDR 的插槽中，確保樣品覆蓋中心共振區，VNA 再次掃描，讀取放入樣品後的共振頻率與品質因子。
• 參數提取與計算
  現代的 SPDR 量測系統通常搭配專用軟體，軟體會依據 Rayleigh-Ritz 法 或嚴格的電磁場模態匹配演算法，利用 f0, Q0, fs, Qs以及樣品厚度，解出材料的複數介電常數，值得注意的是 IPC 標準方法不需要查表 (Lookup Table)，而是通過直接數值運算獲得結果，這保證了數據的連續性與準確性。

材料研發的基準

IPC-TM-650 2.5.5.15 標準化的 SPDR 測試法，為平面介電材料提供了一種快速、非破壞且高精度的驗證手段，它特別適用於評估材料在 X-Y 平面 的特性，對於 PCB 基板廠的來料檢驗 (IQC) 與配方開發人員而言，是不可或缺的工具；然而工程師也應意識到，由於複合材料的異向性，SPDR 測得的 X-Y 平面數值可能與 Z 軸（垂直方向）數值不同，在進行 3D 電磁模擬時需搭配其他方法（如帶狀線法）綜合評估。

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