《毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測試方法-準(zhǔn)光腔法-編制說明》

1.任務(wù)來源及簡要過程1.1任務(wù)來源團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CSTMXXXXX-2022《毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測試方法——準(zhǔn)光腔法》,是廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃《5G通信用關(guān)鍵材料測試評價技術(shù)研究與設(shè)備開發(fā)項目》中測試技術(shù)的項目任務(wù)。該標(biāo)準(zhǔn)由中國材料與試驗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會電子材料領(lǐng)域委員會(CSTM/FC51)歸口。5G通信是新一代信息技術(shù)發(fā)展的主要方向，作為下一個萬億規(guī)模的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，對我國成為全球移通信技術(shù)的領(lǐng)跑者起到不可估量的作用。隨著我國5G正式商用，應(yīng)用于5G通信的新材料已經(jīng)成為制約我國5G通信發(fā)展的關(guān)鍵。5G移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要使用兩段頻率：FR1頻段和FR2頻段。FR2頻段是以后發(fā)展的重要頻段毫米波頻段涉及24~52GHz,車載雷達(dá)使用頻段已經(jīng)達(dá)到76G~81GHz。衛(wèi)星、雷達(dá)、微波器件等的工作環(huán)境也越來越嚴(yán)峻，會在極寒或者超高溫的環(huán)境下工作。介質(zhì)材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切會隨著材料溫度的變化而變化，在惡劣環(huán)境下，材料的介電常數(shù)溫度性能，當(dāng)電路板需要在較大的溫度范圍內(nèi)工作時，介電常數(shù)溫度系數(shù)也是關(guān)鍵參數(shù)，所以建立介電常數(shù)溫度系數(shù)和損耗因子溫度系數(shù)的測試方法是有必要的。介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切是高速高頻覆銅板最為重要的一項性能，決定成品阻抗、損耗、增益等。介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的誤差可能會導(dǎo)致電路整體性能的重大變化，準(zhǔn)確測量介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切對于產(chǎn)品設(shè)計和研發(fā)非常重要，因此需要建立高頻介質(zhì)基板的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，介電常數(shù)溫度系數(shù)和損耗因子溫度系數(shù)的測試方法，為通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供測試基礎(chǔ)。國內(nèi)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中缺少適合國內(nèi)測試現(xiàn)狀的毫米波段介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切、介電常數(shù)溫度系數(shù)和損耗因子溫度系數(shù)的測試方法。所以本標(biāo)準(zhǔn)提出《毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測試方法——準(zhǔn)光腔法》標(biāo)準(zhǔn)。2021年9月團(tuán)隊開展《毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測試方法——準(zhǔn)光腔法》標(biāo)準(zhǔn)制定工作。根據(jù)項目的進(jìn)度，著手調(diào)研帶狀線測試法測試介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的相關(guān)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，于2021年3月完成了標(biāo)準(zhǔn)《毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測試方法——準(zhǔn)光腔法》草稿的編制。本標(biāo)準(zhǔn)的主要起草單位為工業(yè)和信息化部電子第五研究所，標(biāo)準(zhǔn)主要參與單位為參與單位為電子科技大學(xué) (以下簡稱電子科大)、廣東生益科技股份有限公司(以下簡稱生益科技)、浙江華正新材料股份有限公司(以下簡稱浙江華正)、成都恩馳微波科技有限公司，其中電子五所牽頭開展標(biāo)準(zhǔn)起草與技術(shù)研究，電子科大參與高頻測試部分技術(shù)研究，成都恩馳微波科技有限公司參與試驗原理分析與方法驗證，生益科技和浙江華正參與標(biāo)準(zhǔn)起草。2.標(biāo)準(zhǔn)化對象簡要情況及制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則2.1標(biāo)準(zhǔn)化對象簡要情況該標(biāo)準(zhǔn)試驗方法適用于測量測試片狀固體材料在毫米波頻段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切。測試頻率范圍：f=25GHz~110GHz;測試介電常數(shù)范圍：ε,=2.0~20.0;測試損耗角正切值范圍：tanδ=1.0×10-4~1.0×10-2。準(zhǔn)光腔法測試材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，測試頻段可以達(dá)到帶狀線諧振器測試法不能達(dá)到的110GHz。該方法使用到的試驗設(shè)備有：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、準(zhǔn)光腔變溫測試系統(tǒng)、溫度控制儀、真空泵、低溫恒溫反應(yīng)浴、高溫干燥箱、千分尺等。2.2制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則按照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》給出的規(guī)則，注重相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。在充分研究消化充分吸收國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T12636-1990的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，結(jié)合實際，同時考慮試驗方法標(biāo)準(zhǔn)的“科學(xué)研究制訂滿足行業(yè)使用需求的《毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測試方法——準(zhǔn)光腔法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，為通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供介質(zhì)基板的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗正切測試基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外涉及關(guān)于介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的測4722-2017《印制電路用剛性覆銅箔層壓板試驗方法》包含了介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的測試方法，但其測試頻率最高只能到1.5GHz,不能滿足現(xiàn)在測試頻率越來越高的需求。國標(biāo)GB/T12636-1990《微波介質(zhì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗正切值的帶狀線測試方法》,一方面該標(biāo)準(zhǔn)測試頻段為1GHz~2OGHz,無法達(dá)到高頻20GHz~110GHz頻段，另一方面沒有提出介電常數(shù)溫度系數(shù)和損耗因子溫度系數(shù)的測試方法。JISR1660-2:2004是日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該方法主要是針對日本情況提出的測試標(biāo)準(zhǔn)，不適用與國內(nèi)的測試情況，且該方法只提出毫米波常溫測試方法，沒有提出介電常數(shù)溫度系數(shù)和損耗因子溫度系數(shù)的測試方法。對比現(xiàn)有國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，本標(biāo)準(zhǔn)采用準(zhǔn)光腔變頻法進(jìn)行測試，規(guī)定25GHz~110GHz寬帶范圍內(nèi)的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切以及介電常數(shù)溫度系數(shù)和損耗因子溫度系數(shù)的測試方法，對比國內(nèi)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)情況，本標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)優(yōu)化的地方：(1)根據(jù)發(fā)展需求，添加復(fù)介電常數(shù)的溫漂測試(TCDk、TCDf)標(biāo)準(zhǔn)(-65℃~125℃),補(bǔ)充國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)欠缺；(2)細(xì)化了測試步驟，提高測試的一致性和可重復(fù)性；(3)描述了在試驗過程中影響試驗結(jié)果的注意事項。4.標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的確定本標(biāo)準(zhǔn)包括以下內(nèi)容，1范圍；2規(guī)范性引用文件；3術(shù)語和定義；4符號和縮略語；5原理；6試驗條件；7儀器設(shè)備；8樣品；9試驗步驟；10計算公式；11附加信息；12試驗報告；附錄A測試原理(資料性);附錄B測試系統(tǒng)(資料性)等。相對于其他現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，明確了測試樣品要求；細(xì)化了試驗步驟；添加附件信息，包括測試精度，儀器設(shè)備的維護(hù)和注意事項；附錄添加了資料性文件，為使用單位和測試人員提供5.主要試驗(或驗證)結(jié)果的分析為了保證測試方法的科學(xué)性、適用性以及實施檢測過程中的可行性，本標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化了試驗步驟，提出測試過程中需要注意的測試事項和細(xì)節(jié)，保證測試結(jié)果的一致性和可重復(fù)性。5.1樣品要求分析在樣品要求中除了確定了樣品尺寸之外，還對樣品的平面度提出要求，這是因為準(zhǔn)光腔測試方法對樣品均勻性要求較高，均勻性越好精度越高。5.2樣品預(yù)處理分析在試驗步驟中，9.1規(guī)定了樣品的預(yù)處理方法，在測試方法研究過程中發(fā)現(xiàn)，對樣品進(jìn)行不同方式的清洗，發(fā)現(xiàn)不進(jìn)行超聲清洗的樣品，樣品表面的化學(xué)殘留會影響測試結(jié)果。根據(jù)這個研究，本標(biāo)準(zhǔn)提出根據(jù)樣品屬性，選擇酒精、異丙醇或者蒸餾水(特殊情況可根據(jù)基板制造商要求使用指定的清洗液)作為清洗液，將樣品完全浸入清洗液中超聲清洗不低于10min。水的介電常數(shù)大約為78~80,為了去除水汽對測試樣品的影響，提出了對樣品清洗后，將試樣應(yīng)置于105℃+5℃/-2℃高溫干燥箱中烘干處理2h+10min/-Omin。同時研究了將樣品烘烤后放置在23℃,50±5%相對濕度的環(huán)境中放置不同時間，發(fā)現(xiàn)放置時間的長短會影響測試結(jié)果，根據(jù)這個研究，本標(biāo)準(zhǔn)提出，在烘干后，樣品應(yīng)放入23±2℃的干燥皿中冷卻至室溫，冷卻后存儲時間不超過45min時間內(nèi)進(jìn)行測5.3高/低溫測試時溫度穩(wěn)定時間分析高/低溫測試中，溫度穩(wěn)定的時間也是其中一個影響因數(shù)，在測試研究過程中，我們在溫度穩(wěn)定的不同時間進(jìn)行對介電常數(shù)的測試，發(fā)現(xiàn)溫度穩(wěn)定15min之后測試結(jié)果趨于穩(wěn)定。所以在此標(biāo)準(zhǔn)中提出設(shè)置溫度控制儀上所需測試溫度，開始升溫，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度值后，溫度穩(wěn)定至少15分鐘之后再測試。同時低溫測試時，需要對腔體適當(dāng)抽真空，保證腔體的密封性，同時向測試系統(tǒng)注入保護(hù)氣體(氮氣),保證測試空間內(nèi)不存在結(jié)霜或者結(jié)冰現(xiàn)象。為了驗證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，將熔融石英樣品進(jìn)行測試，測試結(jié)果介電常數(shù)與損耗角正切呈現(xiàn)較好的一致性。且對同一樣品在不同時間進(jìn)行測試，對比測試結(jié)果，每次測得的結(jié)5.5技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證和預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果(1)向覆銅板/介質(zhì)基板材料生產(chǎn)商企業(yè)以及終端應(yīng)用企業(yè)進(jìn)行測試評價技術(shù)推廣與應(yīng)用驗證示范。(2)在產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)形成共識，為材料出廠測試-過程驗證-改善驗證-終端應(yīng)用的良性循環(huán)提支撐和依據(jù)。(3)立足于我們的第三方實驗室，可以率先在行業(yè)客戶中推廣應(yīng)用。(4)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)組的材料生產(chǎn)以及用戶等形成產(chǎn)業(yè)鏈的6.知識產(chǎn)權(quán)情況說明中國材料與試驗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CSTMXXXXX-202X《毫米波頻段介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測試方法——準(zhǔn)光腔法》在制定過程中不涉及國內(nèi)外專利及知識產(chǎn)權(quán)問題。7.采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)情況8.與現(xiàn)行相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章及