揭開 5G 關鍵材料的測試面紗：為何 SPDR 是 PCB 薄板量測的黃金標準？

在高速數位電路與 5G 通訊的研發過程中，基板材料的介電特性——介電常數 (Dk) 與 介電損耗因子 (Df)——已不再只是規格書上的一個參考數值，而是決定訊號完整性與傳輸距離的關鍵生死線，當工程師面對薄型 PCB 基板、銅箔基層板 (CCL) 或軟性電路板 (FCCL) 的材料驗證時，往往會面臨一個難題：如何在其工作頻率下，精準測量出極低損耗材料的特性，同時排除人為操作與治具組裝帶來的誤差？

在眾多量測方法中，分裂柱介電諧振器 (Split Post Dielectric Resonator, SPDR) 憑藉其獨特的電磁場分佈設計與對氣隙 (Air Gap) 的極高容忍度，已成為業界公認測量平面薄板材料的「黃金標準」，本文將深入探討 SPDR 的運作原理，並解析它為何能成為 PCB 薄板測試的首選方案。

什麼是 SPDR (分裂柱介電諧振器)？

SPDR 技術最早由 Nishikawa 等人於 1988 年提出概念，並在 1996 年由 Krupka 等人進一步改良，使其能將樣品厚度納入計算，從而大幅提升了測量精度；從結構上看，SPDR 是一個精密的微波共振腔體，其核心由兩個高品質因子 (High-Q) 的圓柱形介電陶瓷諧振器組成，這兩個陶瓷圓柱被一個空氣隙 (Air Gap) 分隔開來，分別固定在金屬腔體的上下兩端。

這個「分裂」的結構設計正是 SPDR 的精髓所在，測試時待測樣品 (Material Under Test, MUT) ——如 PCB 基板或薄膜——只需簡單地插入這個間隙中，無需進行複雜的機械加工或金屬鍍層處理，這種非破壞性的測試方式，使得 SPDR 特別適合用於產線抽測或珍貴樣品的研發驗證。

SPDR 的工作頻率範圍通常涵蓋 1.1 GHz 至 20 GHz，由於它是基於共振原理運作，因此無法像傳輸線法那樣進行寬頻掃描，而是針對特定的頻點（如 2.4 GHz, 5 GHz, 10 GHz, 20 GHz 等）提供極致精準的數據。

核心物理機制：為何它能測得這麼準？

要理解 SPDR 的優勢，必須先理解其內部運作的電磁模態，SPDR 通常運作於 TE01δ 模態，在這個模態下，電磁場的分佈具有兩個對量測極為有利的特性：

電場呈同心圓分佈 (Azimuthal Electric Field)：

在共振腔內部，電場線像是同心圓一樣在介電質內部與周圍流動，這表示電場向量是「平行」於待測樣品表面的，這一點至關重要，因為當電場平行於樣品介面時，電場在跨越空氣與樣品的邊界時是連續的；換句話說，樣品與治具表面之間微小的空氣間隙（Air Gap）不會像在電容法或平行板法中那樣造成垂直電場的壓降；因此，SPDR 對於樣品放置時產生的微小氣隙具有極高的免疫力，消除了介電量測中最常見的誤差來源之一。

能量高度集中與金屬損耗極小

在 TE01δ 模態下，絕大部分的電能都儲存在高介電常數的陶瓷諧振器與待測樣品內部，而磁場能量則大部分被限制在諧振器內部；更重要的是，這種模態在金屬腔壁處的電場強度極低，甚至接近於零，這表示金屬外殼所造成的導體損耗對量測結果的影響被降到了最低；因此 SPDR 系統本身具備極高的品質因子 (Q Factor)，通常大於 10,000，這使其對低損耗材料（Low Loss Material）的微小訊號變化極為敏感。

為什麼 SPDR 是 PCB 薄板測試的首選？

對於研發工程師而言，選擇 SPDR 進行 PCB 或薄膜材料測試，主要基於以下幾個不可替代的技術優勢：

卓越的靈敏度與解析度

隨著 5G 與車用雷達的發展，材料的損耗角正切 (Df) 要求越來越低，往往低至 0.002 甚至更低，傳統的傳輸反射法在測量這種低損耗材料時，往往會因為儀器底噪或夾具誤差而顯得力不從心；相比之下，SPDR 利用高 Q 值共振特性，能提供極高的靈敏度；對於加工良好的層壓板樣品，SPDR 測量相對介電常數 (Dk) 的不確定度可低至 0.3% ~ 1%，而對損耗角正切 (Df) 的解析度更可達到 2 x 10^-5 甚至更優，這使得它成為驗證極低損耗材料特性的基準方法。

排除人為操作誤差

如前所述，由於 TE01δ 模態的電場平行於樣品表面，SPDR 測量結果對樣品表面是否完美平整、以及樣品與治具間是否存在微小氣隙並不敏感，這解決了傳統測量方法中，因操作員夾持力道不同或樣品表面微小粗糙度而導致數據跳動的問題，只要樣品厚度均勻且大於最小尺寸要求，測量結果就具有高度的可重複性。

自動化參數提取與標準合規

現代的 SPDR 量測系統通常搭配專用的計算軟體，這些軟體內建了基於 Rayleigh-Ritz 法或嚴格電磁場模型的演算法，工程師只需透過向量網路分析儀 (VNA) 測量空腔的共振頻率 (f0)、品質因子 (Q0) 以及放入樣品後的頻率 (fs) 與品質因子 (Qs)，軟體會自動根據頻率的偏移量計算 Dk，並根據 Q 值的下降量（頻寬變寬）計算 Df；此外，SPDR 方法已完全符合 IPC-TM-650 2.5.5.13 以及 IEC 61189-2-721 等國際標準，這讓研發數據在供應鏈中具有公信力。

適用於各類平面材料

SPDR 的設計初衷即是針對層狀介電材料，無論是剛性的 PCB 基板、軟性的 FCCL、甚至是厚度僅有 10 微米 (μm) 的薄膜，只要能放入諧振器的間隙中，皆可進行測量；不過工程師需注意，每個頻段的 SPDR 治具對樣品的最大厚度有物理限制，例如 1.1 GHz 的治具可容納約 6 mm 厚的樣品，而 15 GHz 的治具通常僅支援到 0.6 mm 左右。

技術限制與應用考量

儘管 SPDR 性能強大，但在使用上仍有其物理限制，首先，SPDR 測量的是材料在 X-Y 平面 (In-plane) 的介電特性，對於具有各向異性 (Anisotropic) 的複合材料，若需要得知 Z 軸 (垂直方向) 的介電特性，則可能需要搭配其他方法（如分離圓柱諧振腔 SCR）進行輔助判斷；此外，由於 SPDR 是共振法，它只能提供離散頻點的數據，無法像傳輸線法那樣提供連續頻譜的掃描結果。

總結來說，SPDR 分裂柱介電諧振器憑藉其對氣隙誤差的免疫力、極高的 Q 值靈敏度以及非破壞性的測試特點，確立了其在 PCB 薄板與低損耗材料量測領域的霸主地位，對於致力於開發下一代高頻通訊產品的研發工程師而言，SPDR 不僅是一個測試工具，更是確保材料特性符合嚴苛設計要求的精密量尺。

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