Z 軸方向 Dk/Df 測試：為什麼 5G/6G 設計這麼看重 Z 軸特性？ (帶狀線共振法應用)

 

在高頻 PCB 與天線設計的領域中，資深的射頻工程師常會遇到一個令人困惑的現象：明明使用了昂貴的高頻板材，且模擬軟體中輸入的 Dk (介電常數) 與 Df (損耗因數) 參數皆完全依照規格書設定，但實測出來的阻抗匹配就是有偏差，或是天線的中心頻率發生了無法解釋的飄移，問題往往不出在模擬軟體，也不在製程，而是出在「方向性」。

傳統的材料量測方法（如 SPDR 或分裂圓柱諧振腔）主要量測的是材料平面方向（X-Y 平面）的特性，然而，5G 毫米波與未來的 6G 設計，大量依賴垂直過孔 (Vias)、貼片天線 (Patch Antenna) 以及帶狀線 (Stripline) 結構，這些電路的電場主要沿著 Z 軸 (垂直方向) 分佈，若材料具備「各向異性 (Anisotropy)」，誤用了 X-Y 平面的數據來模擬 Z 軸的行為，災難性的誤差便由此產生。

本文將深入探討 Z 軸介電特性量測的物理機制，並解析符合 IPC-TM-650 2.5.5.5 規範的 帶狀線共振法 (Clamped Stripline Resonator) 如何成為解決此問題的關鍵技術。

為什麼材料會有「方向性」？ (Anisotropy)

要理解 Z 軸測試的必要性，必須先剖析 PCB 基板的微觀結構，高頻基板通常由高分子樹脂（Resin）與玻璃纖維布（Glass Fabric）複合而成。

• 樹脂： 通常是均勻的，各方向特性一致（各向同性）。
• 玻璃纖維： 是編織而成的網狀結構，主要分佈在 X-Y 平面上。

由於玻璃纖維的介電常數 (Dk 約 6.0) 遠高於樹脂 (Dk 約 2.5~3.0)，且纖維主要平躺在 X-Y 平面上，導致電磁波在「沿著纖維跑 (X-Y 軸)」與「穿過層狀結構跑 (Z 軸)」時，感受到的有效介電常數截然不同，通常，X-Y 平面的 Dk 值會高於 Z 軸。

在 5G 毫米波頻段，這種差異可能高達 10%~15%，如果設計師忽略了這一點，設計出的濾波器頻寬可能會變窄，天線效率可能會大幅下降，因此取得真實的 Z 軸 Dk/Df 數據，是高頻模擬準確度的最後一塊拼圖。

Z 軸測試的黃金標準：帶狀線共振法 (IPC-TM-650 2.5.5.5)

為了精確量測 Z 軸特性，業界公認的權威方法是 IPC-TM-650 2.5.5.5，又稱為 X-Band Stripline Method 或 Clamped Stripline Resonator，這種方法的核心理念極具巧思：它不使用外部的諧振腔，而是「將待測材料本身構建成一個諧振電路」。

治具結構：「三明治」設計

測試治具的結構就像一個精密的三明治。

• 外層：
  上下兩塊精密的金屬接地塊 (Ground Plates)。
• 核心：
  中間是一片極薄的、印有特定共振圖樣（Resonator Pattern）的薄卡 (Pattern Card)，這張卡通常由與待測物相同的材料製成，蝕刻出一段特定長度的銅箔線路。
• 待測物 (MUT)：
  將兩片待測的介電材料板（去除銅箔的裸板），分別夾在核心共振卡與上下接地塊之間。

物理機制：垂直電場的捕捉

當訊號饋入中間的共振線路時，由於上下都是接地金屬，電磁場被限制在中間的帶狀線結構中，此時電場線是從中間的導體垂直射向上下接地塊，也就是說，電場向量完全平行於 Z 軸；藉由量測這個「臨時構建」的帶狀線諧振器的共振頻率 (fr) 與 品質因子 (Q)，我們就能反推材料在 Z 軸方向的特性：

• 介電常數 (Dk)： 取決於共振頻率，頻率越低，代表波速越慢，意味著材料的儲能能力（Dk）越高。
• 損耗因數 (Df)： 取決於 Q 值（頻寬），Q 值越低（共振峰越寬），代表能量耗散越快，材料的 Df 越高。

技術關鍵：如何消除空氣隙 (Air Gap)？

在帶狀線共振法中，最大的技術挑戰在於「接觸」，如果待測板材與諧振卡或接地塊之間存在微米級的空氣隙，由於空氣的 Dk 為 1，會串聯在電容結構中，導致測量出的 Dk 值嚴重偏低，為了解決這個問題，專業的 Z 軸測試治具通常具備以下特徵：

• 精密加壓機構：
  治具必須包含一個能夠施加標準化壓力的裝置，根據 IPC 規範，通常需要施加數百磅的壓力，將「三明治」結構緊密壓實，以排除空氣並確保層與層之間完美貼合，現代化的高階系統甚至配備自動恆壓控制，確保在測試過程中（尤其是高溫測試材料軟化時）壓力保持恆定，避免因壓力變化造成的數據跳動。
• 標準共振卡 (Resonator Card)：
  共振卡的設計必須極為精確，通常會使用與待測物同材質的基板製作，或者使用標準化的低損耗材料（如 PTFE），並透過軟體進行去嵌入 (De-embedding) 運算，扣除共振卡本身對量測結果的影響。

頻率覆蓋與溫度特性

雖然此標準名稱中有 "X-Band" (8-12 GHz)，但現代的治具設計已能支援更寬的頻率範圍，一般來說，透過設計不同長度的共振線路，可以在 2.5 GHz 至 13 GHz 之間取得多個頻率點的數據；此外 Z 軸特性的溫度穩定性至關重要，車用雷達或 5G 基地台在運作時溫度極高，材料在 Z 軸方向的熱膨脹係數 (CTE) 通常最大；專業的 Z 軸治具採用耐高溫金屬與線材設計，能放入環境試驗箱中，進行 -50°C 至 +150°C 的自動化循環測試，協助工程師繪製出 Dk/Df 隨溫度變化的曲線 (Tcc)，這是評估材料長期可靠度的關鍵指標。

在 5G/6G 的設計賽道上，僅依賴 X-Y 平面的數據已不足以應對毫米波的挑戰，忽略 Z 軸特性與各向異性，往往是導致模擬與實測無法吻合的元兇；採用符合 IPC-TM-650 2.5.5.5 標準的帶狀線共振法，雖然在樣品製備與操作上比非破壞性方法（如 SPDR）更為繁瑣，但它提供了最真實的 Z 軸電氣參數，對於追求極致訊號完整性 (SI) 與天線效能的研發團隊而言，這是不容妥協的驗證步驟。

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