Dielectric material characterization for inhomogeneous transmission lines up to 110 GHz

Abstract

Verschiedenste elektronische Geräte sind in unserem Tagesablauf nicht mehr wegzudenken. Obwohl die Anwendungen sehr vielfältig sind, haben kleine Gadgets bis hin zu komplexen Smartphones eines gemeinsam: die Leiterplatte. Mikrochips werden auf der Leiterplatte angeordnet und miteinander verbunden, um die gewünschte Aufgabe auszuführen. Im aktuellen Stand der Technik sind die Signale, mit denen die Mikrochips kommunizieren, nicht mehr im Kilohertz-Bereich, sondern bereits im zweistelligen Gigahertz-Bereich angelangt. Für Mikrochip zu Mikrochip Übertragungen bei diesen Frequenzen ist es essentiell, sich auf verlässliche Materialparameter für das verwendete Leiterplattenmaterial zu stützen. Für dielektrische Materialien sind die relative Permittivität (auch Dielektrizitätskonstante Dk) und der Verlustfaktor (oder Tangens des Verlustwinkels LT) von herausragender Bedeutung. Sobald Impedanzen im Schaltungsdesign aufeinander abgestimmt werden müssen, spielt Dk eine wichtige Rolle. Beispiele für Applikationen in denen Impedanzanpassung einen hohen Stellenwert einnimmt, sind Anpassnetzwerke für Leistungsverstärker und Antennen, als auch Digitalübertragungen mit hohen Datenraten. Jegliche Fehlanpassung führt zu ungewollter Reflexion von Energie die daraufhin nicht mehr für die gewünschte Anwendung zur Verfügung steht. Dielektrische Verluste werden mittels LT quantifiziert. In dieser Dissertation wird dafür ein leicht anzuwendendes Verfahren vorgestellt, um die weitläufig verbreiteten Übertragungsleitungen, die Streifenleitung (MS) und die Koplanarleitung mit Massefläche (CBCPW), zur dielektrischen Charakterisierung bis zu 110 GHz zu verwenden. Der vorgestellte Charakterisierungsprozess berücksichtigt und beseitigt viele Effekte die in diesem sehr weit gefassten Frequenzbereich auftreten. Bei den vermessenen Teststrukturen wurde speziell bei Frequenzen bis ca. 20 GHz ein signifikanter Einfluss des Skin-Effekts beobachtet. Für Frequenzen über 20 GHz ist der Einfluss von Oberflächenwellen zu berücksichtigen. Obwohl beide Effekte in einem nicht-trivialen Zusammenhang mit den Messergebnissen stehen, konnten trotzdem im Zuge des Charakterisierungsprozesses einfach anzuwendende analytische Formeln vorgestellt werden, die diese Effekte berücksichtigten. MS und CBCPW sind sehr weit verbreitete Übertragungsleitungen die nun auch mit der vorgestellten Methode zur Materialcharakterisierung bis zu 110 GHz verwendet werden können. Spezieller Fokus wird auch auf die Unsicherheiten gelegt, die bei der Anwendung der vorgestellten Methode zu berücksichtigen sind. Die Analyse der Unsicherheiten wird mittels Monte-Carlo-Simulation mit jeweils 25000 Durchläufen pro Analyse durchgeführt. In der Simulation werden die Ergebnisse auf den Einfluss von drei Unsicherheitsquellen untersucht: das Messequipment, die Herstellungstoleranzen und den Versatz der Sonden beim Kontaktieren der Strukturen. Im letzten Kapitel der Arbeit wird die vorgestellte Methode auf zwei Substratmaterialien angewendet (Panasonic Megtron 6 und Pyralux TK), wobei die Ergebnisse sowohl mit Datenblattwerten als auch mit Resultaten von zwei separat durchgeführten Messmethoden verglichen werden. Die alternativen Vergleichsmethoden sind eine auf Resonanz basierende Methode mittels Ringresonatoren und eine nicht resonante Methode mit Substrate Integrated Waveguides (SIW). Die Resultate des vorgestellten Charakterisierungsprozesses liegen bei einer maximalen Abweichung von 2% für Pyralux TK und 0.6% für Megtron 6 im Vergleich mit den sehr frequenzlimitierten Datenblattwerten der Hersteller.

Electronic equipment has nowadays an omnipresent status in everyday life. From little gadgets to more complex systems like a smartphone, they all have one common denominator: the printed circuit board (PCB). On a PCB all the utilized microchips are placed and interconnected to each other to fulfill the designated task. In a state-of-the-art PCB, these microchips are not communicating with frequencies of a few kilohertz anymore, they already operate with up to double digit gigahertz frequencies. For inter-chip communication with frequencies in that range, it is crucial to have reliable data for the used substrate material. For dielectric materials the relative permittivity (or dielectric constant Dk) and the dissipation factor (or loss tangent LT) play an important role. The Dk is crucial for applications when wave impedances have to be matched. Prominent examples are matching circuits for power amplifiers or antennas, as well as high-speed digital communication systems. A mismatch in impedance causes energy to be reflected, and therefore being unavailable for the desired application. The LT provides information about the dielectric losses that occur by using the selected material. Within this thesis, a straight forward method is introduced for transmission lines with inhomogeneous stack-ups, i.e. microstrip (MS) and conductor-backed coplanar waveguide (CBCPW), to be used for dielectric characterization up to 110 GHz. The characterization method tackles many effects occurring due to the increased frequency range. For the investigated structures, the skin effect had a significant impact for frequencies up to approximately 20 GHz. For frequencies above 20 GHz, plane-trapped surface waves were affecting the results. Although both effects have a non-trivial relation to the measurements, the proposed method introduces analytic formulas which can be easily computed and integrated in computer-aided design (CAD). The main benefit of this characterization method is that MS and CBCPW are already widely used transmission lines and by using the proposed method these lines can serve also for reliable characterization of the substrate material for future applications. Special focus is also laid on the overall uncertainties of the introduced method. The investigation is carried out with Monte Carlo simulations with 25000 runs each. Within the simulations three sources of uncertainty are investigated: the measurement equipment, the manufacturing tolerances, and the probing offsets. All of them contribute their share to the overall uncertainty involved with the proposed method. In the last chapter of the thesis, the determined dielectric constant of two substrate materials (Panasonic Megtron 6 and Pyralux TK) is compared with data sheet values and with two additional characterization methods. The additional methods are a resonant-method based on ring resonators, and a non-resonant method utilizing substrate integrated waveguides (SIWs). The results for the proposed method lie within a maximum deviation of 2\% for Pyralux TK and 0.6\% for Megtron 6 when compared with the frequency-limited data provided in the manufacturer's data sheets.