EMラボ株式会社

ミリ波帯では「誘電率」も「導電率」も必須！
＠MWE2023 企業セミナー

花田克己
2023/11/29

Solution Partner

1

本セミナーを聞いたらわかること• 最先端のミリ波誘電率・導電率測定がどこまで進化しているか• 測定装置・測定サービスの選び方留意点

2

1

アジェンダ• はじめに• 基板の損失改善を深堀

本日のメイン• 基板の伝送損失と誘電率・導電率• ミリ波基板材料の導電率測定• ミリ波基板材料の誘電率測定• 誘電率測定いろいろ• 機器メーカー様の悩み• 超低損失セラミックスのミリ波誘電率• メタサーフェス• 誘電率温湿度特性• 液体のミリ波誘電率• 粘着シートのミリ波誘電率3

正確な「測定」はビジネスの成功につながります
間違った測定をしても、数字だけは出てきます
いいデータが出た！

プレスリリースだ！ 学会発表だ！

いいデータが出た！

特許出願だ！

新製品開発だ！

発表後、測定が再現しない多額の投資をしたが製品は完成せず改善したはずなのに！ このアイデアはダメなんだ！ 他社が同じアイデアで成功

組織としての時間のロス、お金のロスはもちろん、個人的にも恥をかく、立場がなくなる、など、間違った測定がもたらす結果はすべてみじめです。
正確な測定はビジネスを正しい方向に導く道標です。

測定例を確認し、どんな治具がベストな選択かしっかり判断することが大事！

42

EMラボ株式会社
ミリ波材料測定では世界のフロントランナーです「誰でも」「正確に」測定できる装置を開発・製造・販売しています「今すぐ」「正確な」結果が得られる受託測定サービスを提供しています

5

EMラボの製品群と対応する市場～誘電率測定～
車載レーダー

自由空間法（フリースペース）18-500GHz

10,

20,

24,

28,

35,

40,

50,

60,

80GHz

スプリットシリンダー共振器

5G

26-110GHz

6G

110-170GHz 140-220GHz

220-330GHz

1, 2, 2.45, 3, 5, 5.8, 10GHz

空洞共振器

10GHz

ファブリペロ共振器

高速デジタル100GHz500GHz63試料の形状

多層膜
液体・板状・メタサーフェス
自由空間法（フリースペース）18-500GHz
10,

フィルム

20,

24,

28,

35,

40,

50,60,80GHz

スプリットシリンダー共振器
26-110GHz

粉体・液体

110-170GHz 140-220GHz

220-330GHz

1, 2, 2.45, 3, 5, 5.8, 10GHz

ファブリペロ共振器

空洞共振器

10GHz

500GHz100GHz7

新製品のご紹介

受託測定好評販売中！

導電率高精度測定用ファブリペロ共振器
ブロードバンド：23～110GHz
Dバンド：110～170GHz

5G
エッチング不要！
キャリブレーション不要！
銅箔でも銅板でも測定可能！
10GHz

車載レーダー？

2024年製品発売予定！

6G

高速デジタル100GHz500GHz84

アジェンダ• はじめに• 基板の損失改善を深堀• 基板の伝送損失と誘電率・導電率• ミリ波基板材料の導電率測定• ミリ波基板材料の誘電率測定

キーワード
誘電率＝比誘電率＝誘電率実部＝ε‘＝Dk• 誘電率測定いろいろ

誘電正接＝tanδ＝誘電損失＝Df• 機器メーカー様の悩み• 超低損失セラミックスのミリ波誘電率• メタサーフェス• 誘電率温湿度特性• 液体のミリ波誘電率• 粘着シートのミリ波誘電率

導電率＝比導電率＝σ※軟銅＝１とした時の導電率

本セミナーではDk , Df , σを使用します。

9基板の伝送損失(例：マイクロストリップライン）
入力信号

出力信号

基板内の伝送損失で減衰
伝送損失の原因①：誘電損失

伝送損失の原因②：導電損失
信号伝搬

信号伝搬
h

導体

電場

誘電体に電場が生じることで損失が生じる。
Dfが大きいほど損失が大きくなる。

誘電体

h

電流

銅箔の抵抗値によって損失が生じる。
σが大きいほど損失が小さくなる。

いい基板は、①Dfが小さく ②σが大きい

105

基板伝送損失の実際
単に誘電体のDfを小さく銅箔のσを大きくすれば良いのでは？
• Dfとσは無関係？
• Dfとσどちらが大事？
• Dfとσは周波数によって変わる？
• Dfとσは評価できるの？

11

樹脂と導電率の深い関係
接着面がツルツルだとはがれてしまう

h粗度：低PTFE：誘電正接0.0002
接着性：悪＝粗度：高接着面を粗らしておけば強く接着する

粗度：高MPI：誘電正接0.005
接着性：良 = 粗度：低誘電正接？粗度？導電率？どういう関係がある？
126

なぜ粗度が導電率に影響するの？
高周波では粗度が大きいと表皮効果により導電率が悪化する！

10MHz 表皮深さ：20um
5um
電流

まだ表皮深さが粗度に対して深いので導電率は悪化しない
低い周波数では粗度は導電率に影響しない
電流の経路が⾧いほど導電率が低くなる。

1GHz 表皮深さ：2um
表皮を流れ始める
粗度が導電率に影響し始める

100GHz 表皮深さ0.2um
電流がほとんど表皮を流れている
粗度によって導電率が悪化する
高周波では粗度が顕著に導電率に影響する

13

しかもRaRzで導電率が決まるわけではない。
下図の黒線が⾧いほど導電率が低いことを意味する。
両者はRaもRzも同じであるが、経路⾧は。。。

ARz

BRz
Bの方が２倍も⾧い！
＝導電率は半減＝導電損は2倍！！
Rzが小さくても実は導電率は悪いかもしれない！

147

MSLシミュレーション
誘電率：3.5
誘電体厚み＝50um
線路：50㎜
周波数：~170GHz

導電損と誘電損による伝送損失のイメージ
0※実際はDfもσも周波数特性を持ちますが、一定としています。

-2-4-6

導電損のみ
Df＝0 & σ=1-8

Dfもσも周波数特性を持たないとしたら伝送損失はそれぞれ半々ぐらいなんだ！

誘電損のみ
Df＝0.005 & σ=∞-10-12-14-16020406080100120140160180GHz

15

合計の伝送ロスについて考える

誘電率：3.5
誘電体厚み＝50um
線路50㎜
周波数：1~170GHz

0-5

伝送損失を小さくするには誘電正接を小さくすればいいんだよね？

誘電体の伝送損失を改善したい→Dfを下げよう！

-10-15-20

Df=0.005/σ=0.3
Dfが高く、銅箔にくっつきにくい樹脂-25

25 dB＠170 GHzのロス
-30
020

40

60

80

100120140160低周波クマちゃん

180 GHz168

樹脂のDfを下げて伝送ロスを減らす

誘電率：3.5
誘電体厚み＝50um
線路50㎜
周波数：1~170GHz

0-5

頑張って誘電正接を半分にして5.1dB@170GHz改善した！
もうこれ以上は無理？

-10-15-20

Df=0.005/σ=0.3
5.1dB
Dfが高く、銅箔にくっつきにくい樹脂-25

Df=0.0025/σ=0.3
Dfが低く、銅箔にくっつきにくい樹脂
低周波クマちゃん-30020406080100120140160180 GHz

数GHz帯ではDfを減らすことに注力されていた。

17

銅箔の粗度を下げれば伝送ロスが減る！

誘電率：3.5
誘電体厚み＝50um
線路50㎜
周波数：1~170GHz0

数十～数百GHz帯では導電率も考慮しないといけない-5

Df=0.0025/σ=1
Dfが低く、銅箔にくっつきやすい樹脂

-10

-15

6.5dB

-20

Df=0.005/σ=0.3
5.1dB
Dfが高く、銅箔にくっつきにくい樹脂-25

銅箔にくっつきやすくしたらさらに6.5dB改善した！

Df=0.0025/σ=0.3
Dfが低く、銅箔にくっつきにくい樹脂
ミリ波クマちゃん-30
020406080100120140160180 GHz

ミリ波帯では樹脂のDfを下げるだけではなく粗度の低い銅にくっつくことも重要

189誘電損の周波数特性を考慮すると0-2Dfの周波数特性を考慮しないとミリ波では大きくずれちゃうんだね！

樹脂の多くは高周波で損失が大きくなる-4-6-8誘電損のみ
Df＝0.005 & σ=∞-104dB@170 GHz-12誘電損のみ
Dfに周波数特性を入れた & σ=∞-14-16020406080100120140160180GHz19導電損の周波数特性はとても大事: 20 GHzを超えたら要注意
0

銅箔表面が粗れていると高周波で損失が大きくなる-2-4導電率の周波数特性はこんなに影響が大きいんだね！

3dB@40 GHz-6導電損のみ
Df＝0 & σ=1-87dB@170 GHz-10-12導電損のみ
Df=0 & σに周波数特性を入れた-14-16020406080100120140160180GHz2010ここまでの結論

ミリ波用基板の伝送損失を小さくするためには使用する周波数帯で誘電率と導電率の両方の評価が必要！

21

EMラボの導電率測定は何がすごい？
銅箔の粗度が導電率に与える影響がはっきり見える
1.2

3種とも既存の銅張積層板に使用されている銅箔です！

1Rz=0.6μm, Ra=60nm
滑らか！

比導電率

0.8

Rz=1.2μm, Ra=150nm
ちょっとザラザラ

伝送損失大

0.60.4Rz=2.5μm, Ra=450nm
かなりザラザラ

0.2

0020

406080100120140160

180 GHz

2211今までの導電率測定装置の測定レンジ
1.2

粗度の違う銅箔の導電率評価が進まなかった！

銅の導電率

5.86×10^7 1[S/m]

実際に測定したいレンジ
このレンジの測定例と再現性を見ないといけない。

0.80.60.4

1×10^70.2

導電率が高いほど測定難易度が高い

FPOR
（他社製）

0020406080100120140160180

GHz23

EMラボの導電率測定レンジ
1.2

銅の導電率
5.86×10^71[S/m]

実際に測定したいレンジ
このレンジの測定例と再現性を見ないといけない。

0.8

EMラボ社製
ファブリペロ共振器

0.6

0.4

1×10^70.2

導電率が高いほど測定難易度が高い

FPOR
（他社製）

0020

406080100120140160

180

GHz

2412しかも測定はかんたん高速！
EMラボのファブリペロ共振器なら・・・
試料を板で挟み共振器に挿入

20-110 GHz 約2分/1試料
110-170 GHz 約2分/1試料後は測定開始ボタンを押すだけ！

••••

面倒なエッチング不要！
キャリブレーション不要！
銅箔でも銅板でも測定可能！
誘電体の有無にかかわらす測定可能！

25

複数回測定しても驚くほどの安定度
3種の銅箔をを3回ずつ測定
1.21Rz=0.6μm, Ra=60nm

比導電率0.8Rz=1.2μm, Ra=150nm

0.60.4Rz=2.5μm, Ra=450nm

0.20020406080

100120140160180

周波数(GHz)

誰が測定しても、いつ測定しても同じ値！

2613粗していない異種金属は表面導電率が周波数で変わらない
0.5

アルミ

0.45

0.4

比導電率

0.35

0.3

黄銅

0.25

0.2

画期的なデータ！

0.15

リン青銅

0.1

ステンレスチタン

0.0500204060

80

100120

周波数(GHz)

DCでの導電率27

ミリ波誘電率測定ソリューションは盤石
25-330 GHz 広帯域評価にはファブ
リペロー共振器

10-80 GHz 多サンプルの評価にはスプリットシリンダ共振器

BB(25-110GHz), D(110 -170 GHz), G(140-220 GHz), J(220- 330 GHz)10, 20, 24, 28, 35, 40, 50, 60, 80 GHz• 2.5 GHzおきに1点4秒で測定• 1サンプル15秒（スクリーニングなどに最適）• 簡単で高精度• 簡単で高精度• 面内異方性評価可能• 温度特性・温湿度特性評価可能

Broad Band

Banded2814

試料：MPI
厚み：50um

Dfは周波数依存性が高い
誘電率(Dk)MPI ε'TanD(Df)
MPItanδ40.015

伝送損失大

3.8
0.01

3.6
Broadband(25-110GHz)
E-band(60-90GHz)
W-band(75-110GHz)
D-band(110-170GHz)

3.4
3.2

G-band(140-220GHz)

300.005

J-band(220-330GHz)

50

100

150200250300Broadband

E-bandW-bandD-bandG-bandJ-band0350 GHz

050100150200250300

Broadband

E-bandW-bandD-bandG-bandJ-band350 GHz

170GHzで使用する材料は170GHzでの測定が必要

29

Df

Dfの傾きいろいろ

0.001

Dk
12PP0.0008

アルミナ

10

サファイヤ

COP0.0006

サファイヤ

80.0004

6アルミナ

PTFE

40.0002

COP
2PTFE

PP
0000

50

100

150200250300Dkの周波数特性はほとんどない

350

50

100

150

200

250

300

350

低周波ではアルミナとサファイヤが圧倒的低損失だが、高周波ではPTFEと変わらない→低周波で使えなかった樹脂が高周波では使えるかも？

3015

誘電率測定の再現性: 300 GHzでも驚きの再現性
同じ試料(PP)を8回測定した
試料設置⇒測定⇒試料裏返し⇒測定⇒試料裏返し⇒測定⇒・・・
eps PP38
誘電率(Dk)tanD PP38
TanD(Df)

2.4H2Oの吸収

0.001

2.38
2.360.0008

2.34
2.320.0006

2.3
2.280.0004

2.26

σ~0.0018~0.08%

2.240.0002

σ~0.000006

2.22
2.20220

230

240

250

260

270280290300310320330

GHz

220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 GHz

0.0006以下のtanδが安定して測定できている再現性の評価も低誘電正接試料で！

31前半まとめ• 20GHz以上のアンテナや伝送路の設計はDfとσ両方の検討が不可欠。
• ミリ波での“いい素材“は「Dfが低く」、「σの高い銅箔に接着できる」• ミリ波での“いい銅箔“は「σが高いまま接着しやすい」• ミリ波誘電率は高精度測定できます。
• ミリ波の導電率の高精度測定が可能になりました: 銅箔粗度の影響が見える！
• ミリ波の導電率が「誰でも」「簡単に」測定できるようになります。

ブース「J-18」にて実機展示中！
外部環境によらず安定して測定できます！

32

16

アジェンダ• はじめに• 基板の損失改善を深堀• 基板の伝送損失と誘電率・導電率• ミリ波基板材料の導電率測定• ミリ波基板材料の誘電率測定• 誘電率測定いろいろ• 機器メーカー様の悩み• 超低損失セラミックスのミリ波誘電率• メタサーフェス• 誘電率温湿度特性• 液体のミリ波誘電率• 粘着シートのミリ波誘電率33

電子機器メーカーの悩み：カタログの誘電率データが不十分

ユーザー自ら評価しなければならない。。。

34

17

カタログに誘電率の周波数特性が載っていたら？

ユーザーは使用する周波数での誘電特性をすぐに知れる！

35

さらに銅箔の導電率周波数特性が載っていれば？

比導電率
10.5
0050

100

150

200

ユーザーはカタログデータをもとに必要な材料が選べる！
データは高機能素材の重要な差別化要因！
36

18

西村陶業様ご提供

Mail:npc-kei@nishimuratougyou.co.jp

スプリットシリンダー・ファブリペローでのセラミック測定例
DfDk

12

イットリア

0.006

99.99アルミナ

コージライト

99.9％アルミナ

100.005

99％アルミナ8

誘電率が10を超えても330GHzまで測定可能！

0.004

フォルステライト60.003

コージライト40.002

フォルステライト

イットリア

0.001

299％アルミナ
99.9％アルミナ
99.99％アルミナ

00050

100

150

200

250

300

0350

50

100

150

200

250

300

350

周波数(GHz)

周波数(GHz)37

フリースペース装置によるメタサーフェス測定の方向に95％以上の反射！
60°
ホーンアンテナの場合

EMラボの誘電体レンズアンテナの場合

1
0.9
0.8
0.7

反射量

サイドローブで直接入射

0.6
0.5
0.40.3

θ

θ

0.2
0.1
0020

40

6080

100

角度

サイドローブが-60dB以下なので直接入射しないため、正確な測定が可能！

角度に対する絶対値が知りたい場合はEMラボの誘電体レンズアンテナ！

3819

スプリットシリンダーでの温度依存性測定例＠40GHz
誘電率(Dk)
誘電率4TanD(Df)
TanD

0.01

3.9
3.8

LCP0.008

3.7
3.60.006

MPI

3.5
3.4
3.3

LCP

3.20.004

MPI0.002

3.1
30-50

050

100

150-50

050

100

150℃

℃

LCPは温度が上がると極端にTanDが悪化する
今日は暑いから電波が飛びにくい！？となる可能性がある。

39

スプリットシリンダーでの湿度依存性測定例@0, 30, 60, 90%RH @室温 @28GHz

0%は絶乾直後

誘電率(Dk)TanD(Df)

4.00.014

3.90.012

3.8MPI

0.010

3.7
3.6

MPI3.5
3.4LCP

3.30.008
0.006
0.004

3.2LCP

0.002

3.1
3.00102030

405060708090

LCPは湿度が上がると誘電率が上がる

100

RH%

0.000
010203040506070

8090

100RH%

MPIは湿度が上がると急激にTanDが悪化する

今日は湿度が高いから電波が飛びにくい！？となる可能性がある。
温度と湿度の両方の特性を確認したほうが良い

4020

フリースペース装置での液体の測定例：誘電率

Rband

4.5

測定試料
エタノール
オリーブオイル

誘電率(Dk)
eps

Uband
Eband
Wband

4Dband3.5

Jband

エタノール：周波数が上がると誘電率が低下

32.5

オリーブオイル：誘電率の周波数特性は小さい
2050

100150200

250300350

GHz41

フリースペース装置での液体の測定例：誘電正接TanD(Df)
TanD
0.50.45

Wband
Rband
Uband Eband

0.40.35

Dband
Jband

0.30.25

エタノール：周波数が上がると誘電正接が低下

0.20.150.1

オリーブオイル：誘電正接に周波数依存性は無い

0.05
0050100

150200250300350

GHz

液体であっても、正しい測定手順とノウハウによってきれいに測定可能

4221

王子HD様ご提供

粘着剤の測定例
自立できない粘着剤：PPフィルムに挟んだ状態で測定得られた2つの値から粘着剤単体の誘電率を算出
粘着層
150um

TanD(Df)
TanD

誘電率(Dk)
誘電率2.5

PP単体でも測定

0.002

2.40.0015

2.30.001

PPフィルム×2枚

2.2

O2 absorption

H2O absorption

502000.0005

2.102050

100

150200250300350

GHz0100150250300

綺麗な周波数特性が得られた

350

GHz43

まとめ• 20 GHz以上のアンテナや伝送路の設計は誘電率・が不可欠。
• ミリ波の導電率測定が「誰でも」「簡単に」測定できるようになります。
• 材料カタログに周波数特性を載せることは大きなアドバンテージです。
• 330 GHzまでフィルムはもちろん液体、粘着膜など多様な測定が可能です。
• EMラボは新たな材料測定の課題にチャレンジし続けています！
メーカーの「測れます！」をうのみにすると危ないよ、自分の測定したい試料をしっかり測定できるという測定例や再現性を確認しないとね！
Appendixにチェックシートがあるから活用してみてね！

実測の簡単さを是非ブースにてご確認ください！
理論と併せてご説明します！「J-18」

4422

Appendix

454623

チェックシートとしてお使いいただけます

誘電率測定装置・測定サービス選択で確認すべきこと□測定例
低誘電正接品かつ薄い試料の周波数特性を確認。 PTFE50umなど→どれくらいの乱れがあるか？
※縦軸スケールに注意。スケールが大きいと乱れが見えなくなる。
□再現性
低誘電正接試料の再現性を確認。 PTFE50umなど→取外し⇔取付け⇔測定を繰り返した結果を確認する。
※取付けたまま測定ボタンを押すだけでは測定再現性はわからない。
※縦軸スケールに注意。スケールが大きいとばらつきが確認できない。
□治具間の相関同じ試料を違う治具で測定した結果を参考にする。
→各社様々な治具を所有しているので相関は確認できる。
※縦軸スケールに注意。スケールが大きいと差分が確認できない。
□実際に自身で測定 → 初めてでも測れる＝安定している
委託測定の際は立ち会う。
→技術がなくても測定できるか確認する→目の前で測定値を確認。複数回測定すれば再現性も確認できる。
□測定時間が短い
測定時間が短いと温度に敏感な治具やネットワークアナライザの時間ドリフトを軽減できる。
大量の測定をする際も効率的。
スプリットシリンダー：15秒/試料
空洞共振器：30秒/試料
EMラボの治具ならファブリペロー：3分/試料(全周波数)
フリースペース：1分/試料

47

チェックシートとしてお使いいただけます

導電率測定装置・測定サービス選択で確認すべきこと□測定例
高導電率の周波数特性を確認。 Raの小さい銅箔・銅板など→どれくらいの乱れがあるか？
※縦軸スケールに注意。スケールが大きいと乱れが見えなくなる。
□再現性
低誘電正接試料の再現性を確認。 Raの小さい銅箔・銅板など→取外し⇔取付け⇔測定を繰り返した結果を確認する。
※取付けたまま測定ボタンを押すだけでは測定再現性はわからない。
※縦軸スケールに注意。スケールが大きいとばらつきが確認できない。
□実際に自身で測定 → 初めてでも測れる＝安定している
委託測定の際は立ち会う。
→技術がなくても測定できるか確認する→目の前で測定値を確認。複数回測定すれば再現性も確認できる。
□測定時間が短い
測定時間が短いと温度に敏感な治具やネットワークアナライザの時間ドリフトを軽減できる。
大量の測定をする際も効率的。
EMラボのファブリペロなら、20~110GHz：2分 110~170GHz：1分半

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