TWI806319B - 快速評估微波介電損失的方法 - Google Patents

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林嘉鼎
阮建龍
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國家中山科學研究院
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Abstract

本發明係藉由低介電絕緣保護陶瓷載板材料的導熱性質，進行快速評估介電損失的方法，藉以開發新低介電絕緣特性的材料。低介電絕緣材料可改善高功率元件電路訊號干擾的問題，同時具有隔離強化保護之作用，並期以微波陶瓷載板材料的開發，因應現今對5G的需求。

Description

快速評估微波介電損失的方法
本發明係提供一種評估微波介電損失的方法，特別是一種以熱擴散的量測，取得微波陶瓷介電損失特性的快速評估方法，可以在短時間判斷同一材料系統彼此之間的微波相對特性，對於驗證材料之微波介電損失特性有顯著的幫助。
當前隨著3G、4G、5G通訊系統的快速推陳出新，在材料設計上對新微波材料的需求持續增加，但是目前學理上雖仍缺乏完整微波材料的設計基礎，包含結晶陶瓷或是玻璃材質的材料選用，但累積至今也是已有相當多的研究文獻資料基礎，而最大問題在於實際上微波性質量測系統的發展卻遠遠跟不上。
微波在通訊上之應用扮演著相當吃重的角色，目前微波積體電路的新的發展趨勢為製造出一高速且小體積之Multi-chip module，此一Multi-chip module需要尋找出一低介電損耗(Dielectric loss,tanδ)及低介電常數(Dielectric constant)之介電物質(Dielectrics)作為基底(Substrate)。低介電損耗之基底材料亦為新一代之微波天線及通訊濾波器所必須。上列之 新的發展及一般微波元件之設計均須採用到不同的介電材料以作為微波電路薄膜之基底或介質共振器之基本材料。而材料之選擇則是以其介電性質為依據。因此介電材料在微波頻率之介電性質為設計微波元件時選擇何種介電材料所必須考慮的關鍵因素。而微波介電性質之測量技術在材料之選擇及新材料之發展上便顯現出其重要性。因此微波介電性質之測量技術之研究實為必要。
Parallel Plate Resonance Technique已可同時量測介電常數及介電損耗，且具有頻率掃瞄之功能(對同一樣本可量測約3GHz之頻率範圍)為其優點，但受限於輻射損耗對量測誤差之影響，其對介電損耗之最低量測值無法低於1×10-5。至於TE Cavity PerturbationTechnique，其最大優點為在現存所有技術中，所需之樣品大小遠較其他方法要小的多，一根截面積約為1mm2之圓形或矩形之柱狀樣本即可。對某些製作較大尺寸樣品有困難之材料之量測具有相當大之吸引力，特別是以fiber狀長成之單晶更顯示其優越性。此外，測量操作方式簡單且利用量測結果計算介電性質之過程非常簡易亦為其相當令人樂於採用之原因，但其對介電損耗之最低量測值仍無法低於1×10-5。
在高頻高速電路中，材料的電器特性與信號的傳播速度、衰減以及元件的尺寸間密不可分，故需要一套可以快速量測微波特性之方法，同時可以降低人工、設備及樣品建置 成本。此外，目前通訊頻率等相關設備仍有極多微波材料需要評估，在這龐大的工作量中，對於微波性質的量測有著相當程度的需求，但是由於在眾多微波量測系統中，對於試樣要求均相當嚴苛，同時量測系統亦非常昂貴，所以極需要一種快速篩選微波材料的方法。
為了解決上述問題，本發明藉由一組低介電絕緣保護陶瓷載板材料，評估微波性質與導熱性質之間的關聯，藉以開發一種微波陶瓷介電損失特性的快速評估方法，此方法可以節省以往量測微波介電損失特性所要付出的時間及成本。低介電絕緣材料可改善高功率元件電路訊號干擾的問題，同時具有隔離強化保護之作用，並期以微波陶瓷載板材料的開發，因應現今對5G的需求。以下為本案之簡要說明。
本發明係提供一種評估微波介電損失的方法，在材料的性質測試方面，微波特性除了受微結構(尤其是孔隙率)的影響外，還受結晶中的點缺陷(point defect)的影響，而在陶瓷的熱擴散也受結晶中的點缺陷的影響，故以熱擴散的量測，取得微波陶瓷介電損失特性的快速評估方法，可在微波陶瓷材料的選擇及評估上，建立一條捷徑。
熱擴散量測方式通常採用有熱流技法(Heat Flow Method；HFM)；熱線法(Hot Wire Method；HWM)；熱平板法(Hot Plate Method；HPM)；熱通量計法(Heat Flux Method；HFM)； 瞬變平面熱源法(Transient Plane Source；TPS)；雷射閃光法(Laser Flash Method；LFM)。以上的方式也可以快速檢測出陶瓷材料之熱導值。
根據本發明的構想，提供一種快速評估微波介電損失的方法，步驟包括：(A)量測同一材料系統之一熱擴散特性及一微波特性，並重覆量測三次以上，得數據點達三個以上；(B)將該數據以線性回歸方式得到一數學關係式為y=ax+b，其中a與b為常數，x為該熱擴散特性之數據，y為該微波特性之數據；(C)先量測一未知介電損失樣品之熱擴散特性之數據；(D)再將該未知介電損失樣品之熱擴散特性之數據代入該步驟B之數學關係式中，即可快速獲得該未知介電損失樣品之微波特性之數據。
上述步驟快速評估微波介電損失的方法，其中，該數學關係式係由該熱擴散特性與該微波特性所建立，並且包含三個數據點以上，以獲得該數學關係式。
上述步驟快速評估微波介電損失的方法，其中，該微波特性為介電損失(Dilectric Loss；Df)。
上述步驟快速評估微波介電損失的方法，其中，該材料系統可以為Ba-Nb-W-O系統、Ba-Cu-Sr-Si-O系統；BaO-MO-SiO2(M=Mg,Zn,Co,Ni,Mn,Cu)系統。
本發明乃利用陶瓷材料的熱擴散特性與微波介電損失特性具有相同機制的部份，進行快速且方便的量測微 波特性方式。利用陶瓷材料的熱擴散與介電損失具有線性相依的數學關係，採用熱擴散的量測取代介電損失微波性質的量測，可以快速篩選微波材料的方法。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
S101-S104:步驟
1:介電損失
2:熱擴散值
3:數學關係式
第一圖係為本發明之一種評估微波介電損失的方法流程圖；第二圖係為本發明實施例之數學關係圖；第三圖係為本發明實施例之介電損失與熱擴散值之實驗數據。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之優點及功效。然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。
請參閱第一圖，其係為本發明之一種評估微波介電損失的方法流程圖，及第二圖係為本發明實施例之數學關係圖，第三圖係為本發明實施例之介電損失與熱擴散值之實 驗數據，步驟包括：步驟S101為提供一種評估微波介電損失的方法，首先利用傳統之熱擴散及介電損失量測方式，量測出同一材料系統但不同比例組成之陶瓷材料之一熱擴散特性及一微波特性，所量測之實驗數據為熱擴散值2及介電損失1，並重覆量測三次以上，得數據點達三個以上，請參閱第三圖；步驟S102由熱擴散值2及介電損失1之實驗數據建立一數學關係圖，所建立之數學關係圖最少為3個量測點，並且以線性回歸方式得到一數學關係式3為y=-0.0027x+0.0038，請參閱第二圖；步驟S103量測一未知介電損失樣品之熱擴散特性之數據；步驟S104藉由此數學關係式3，將同一材料系統之熱擴散特性(x)代入數學關係式3，即可獲得可信賴之介電損失數值(y)。
本實施例中之材料可以為Ba-Nb-W-O系統、Ba-Cu-Sr-Si-O系統；BaO-MO-SiO2(M=Mg,Zn,Co,Ni,Mn,Cu)系統；微波特性為介電損失(Dilectric Loss；Df)。
本方法可以避免同一材料系統之微波介電損失特性需要多次量測，僅需量測至少三點微波介電損失特性及熱擴散特性，即可利用數學關係式及熱擴散性量測數據進行不同成份比例材料介電損失之初步評估微波特性，大幅降低量測成本。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此 技藝之人士均可在不違背發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1:介電損失
2:熱擴散值
3:數學關係式

Claims (4)

  1. 一種快速評估微波介電損失的方法，步驟包括：(A)量測同一材料系統之一熱擴散特性及一微波特性，並重覆量測三次以上，得數據點達三個以上；(B)將該數據以線性回歸方式得到一數學關係式為y=ax+b，其中a與b為常數，x為該熱擴散特性之數據，y為該微波特性之數據；(C)先量測一未知介電損失樣品之熱擴散特性之數據；(D)再將該未知介電損失樣品之熱擴散特性之數據代入該步驟B之數學關係式中，即可快速獲得該未知介電損失樣品之微波特性之數據。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之快速評估微波介電損失的方法，其中，該數學關係式係由該熱擴散特性與該微波特性所建立，並且包含三個數據點以上，以獲得該數學關係式。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之快速評估微波介電損失的方法，該微波特性為介電損失(Dilectric Loss；Df)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之快速評估微波介電損失的方法，其中，該材料系統可以為Ba-Nb-W-O系統、Ba-Cu-Sr-Si-O系統；BaO-MO-SiO2(M=Mg,Zn,Co,Ni,Mn,Cu)系統。
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