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什么是介電常數(shù)

點擊次數(shù):3533  更新時間:2019-01-23

"介電常數(shù)" 在工具書中的解釋:

1.又稱電容率或相對電容率,表征電介質(zhì)或絕緣材料電性能的一個重要數(shù)據(jù),常用ε表示。它是指在同一電容器中用同一物質(zhì)為電介質(zhì)和真空時的電容的比值,表示電介質(zhì)在電場中貯存靜電能的相對能力??諝夂虲S2的ε值分別為1.0006和2.6左右,而水的ε值較大,10℃時為 83.83。

2.介電常數(shù)是物質(zhì)相對于真空來說增加電容器電容能力的度量。介電常數(shù)隨分子偶極矩和可極化性的增大而增大。在化學(xué)中,介電常數(shù)是溶劑的一個重要性質(zhì),它表征溶劑對溶質(zhì)分子溶劑化以及隔開離子的能力。介電常數(shù)大的溶劑,有較大隔開離子的能力,同時也具有較強的溶劑化能力。介電常數(shù)用ε表示,一些常用溶劑的介電常數(shù)見下表:

"介電常數(shù)" 在學(xué)術(shù)文獻中的解釋:

1.介電常數(shù)是指物質(zhì)保持電荷的能力,損耗因數(shù)是指由于物質(zhì)的分散程度使能量損失的大小。理想的物質(zhì)的兩項參數(shù)值較小

2.其介質(zhì)常數(shù)具有復(fù)數(shù)形式,實數(shù)部分稱為介電常數(shù),虛數(shù)部分稱為損耗因子.通常用損耗角的正切值tanθ(損耗因子與介電常數(shù)之比)來表示材料與微波的耦合能力,損耗正切值越大,材料與微波的耦合能力就越強

3.介電常數(shù)是指在同一電容器中用某一物質(zhì)為電介質(zhì)與該電容器在真空中的電容的比值.在高頻線路中信號傳播速度的公式如下:V=K

4.為簡單起見,后面將相對介電常數(shù)均稱為介電常數(shù).反射脈沖信號的強度,與界面的波反射系數(shù)和透射波的衰減系數(shù)有關(guān),主要取決于周圍介質(zhì)與反射體的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。

 

 

介電常數(shù)的應(yīng)用:

近十年來,半導(dǎo)體工業(yè)界對低介電常數(shù)材料的研究日益增多,材料的種類也五花八門。然而這些低介電常數(shù)材料能夠在集成電路生產(chǎn)工藝中應(yīng)用的速度卻遠沒有人們想象的那么快。其主要低介電常數(shù)薄膜機械性質(zhì)量測結(jié)果原因是許多低介電常數(shù)材料并不能滿足集成電路工藝應(yīng)用的要求。圖2是不同時期半導(dǎo)體工業(yè)界預(yù)計低介電常數(shù)材料在集成電路工藝中應(yīng)用的前景預(yù)測。

早在1997年,人們就認為在2003年,集成電路工藝中將使用的絕緣材料的介電常數(shù)(k值)將達到1.5。然而隨著時間的推移,這種樂觀的估計被不斷更新。到2003年,半導(dǎo)體技術(shù)規(guī)劃(ITRS 2003[7])給出低介電常數(shù)材料在集成電路未來幾年的應(yīng)用,其介電常數(shù)范圍已經(jīng)變成2.7~3.1。

造成預(yù)計與現(xiàn)實如此大差異的原因是,在集成電路工藝中,低介電常數(shù)材料必須滿足諸多條件,例如:足夠的機械強度(MECHANICAL strength)以支撐多層連線的架構(gòu)、高楊氏系數(shù)(Young's modulus)、高擊穿電壓(breakdown voltage>4MV/cm)、低漏電(leakage current<10-9 at 1MV/cm)、高熱穩(wěn)定性(thermal stability >450oC)、良好的粘合強度(adhesion strength)、低吸水性(low moisture uptake)、低薄膜應(yīng)力(low film stress)、高平坦化能力(planarization)、低熱漲系數(shù)(coefficient of thermal expansion)以及與化學(xué)機械拋光工藝的兼容性(compatibility with CMP process)等等。能夠滿足上述特性的的低介電常數(shù)材料并不容易獲得。例如,薄膜的介電常數(shù)與熱傳導(dǎo)系數(shù)往往就呈反比關(guān)系。因此,低介電常數(shù)材料本身的特性就直接影響到工藝集成的難易度。

目前在超大規(guī)模集成電路制造商中,TSMC、 Motorola、AMD以及NEC等許多公司為了開發(fā)90nm及其以下技術(shù)的研究,先后選用了應(yīng)用材料公司(Applied Materials)的Black Diamond 作為低介電常數(shù)材料。該材料采用PE-CVD技術(shù)[8] ,與現(xiàn)有集成電路生產(chǎn)工藝*融合,并且引入BLOk薄膜作為低介電常數(shù)材料與金屬間的隔離層,很好的解決了上述提及的諸多問題,是目前已經(jīng)用于集成電路商業(yè)化生產(chǎn)為數(shù)不多的低介電常數(shù)材料之一。

 

低介電常數(shù)薄膜機械性質(zhì)量測結(jié)果

測量方法:

相對介電常數(shù)εr可以用靜電場用如下方式測量:首先在兩塊極板之間為真空的時候測試電容器的電容C0。然后,用同樣的電容極板間距離但在極板間加入電介質(zhì)后測得電容Cx。然后相對介電常數(shù)可以用下式計算

εr=Cx/C0

在標準大氣壓下,不含二氧化碳的干燥空氣的相對電容率εr=1.00053.因此,用這種電極構(gòu)形在空氣中的電容Ca來代替C0來測量相對電容率εr時,也有足夠的準確度。(參考GB/T 1409-2006)

對于時變電磁場,物質(zhì)的介電常數(shù)和頻率相關(guān),通常稱為介電系數(shù)

 

 

什么是介質(zhì)損耗:

介質(zhì)損耗 什么是介質(zhì)損耗:絕緣材料在電場作用下,由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng),在其內(nèi)部引起的能量損耗。也叫介質(zhì)損失,簡稱介損。

2、介質(zhì)損耗角δ 在交變電場作用下,電介質(zhì)內(nèi)流過的電流相量和電壓相量之間的夾角(功率因數(shù)角Φ)的余角(δ)。 簡稱介損角。

3、介質(zhì)損耗正切值tgδ 又稱介質(zhì)損耗因數(shù),是指介質(zhì)損耗角正切值,簡稱介損角正切。介質(zhì)損耗因數(shù)的定義如下:

如果取得試品的電流相量和電壓相量,則可以得到如下相量圖:

總電流可以分解為電容電流Ic和電阻電流IR合成,因此:

這正是損失角δ=(90°-Φ)的正切值。因此現(xiàn)在的數(shù)字化儀器從本質(zhì)上講,是通過測量δ或者Φ得到介損因數(shù)。 測量介損對判斷電氣設(shè)備的絕緣狀況是一種傳統(tǒng)的、十分有效的方法。絕緣能力的下降直接反映為介損增大。進一步就可以分析絕緣下降的原因,如:絕緣受潮、絕緣油受污染、老化變質(zhì)等等。測量介損的同時,也能得到試品的電容量。如果多個電容屏中的一個或幾個發(fā)生短路、斷路,電容量就有明顯的變化,因此電容量也是一個重要參數(shù)。 4、功率因數(shù)cosΦ功率因數(shù)是功率因數(shù)角Φ的余弦值,意義為被測試品的總視在功率S中有功功率P所占的比重。功率因數(shù)的定義如下:

有的介損測試儀習(xí)慣顯示功率因數(shù)(PF:cosΦ),而不是介質(zhì)損耗因數(shù)(DF:tgδ)。一般cosΦ<tgδ,在損耗很小時這兩個數(shù)值非常接近。 5、高壓電容電橋高壓電容電橋的標準通道輸入標準電容器的電流、試品通道輸入試品電流。通過比對電流相位差測量tgδ,通過出比電流幅值測量試品電容量。因此用電橋測量介損還需要攜帶標準電容器、升壓PT和調(diào)壓器。接線也十分煩瑣。 6、高壓介質(zhì)損耗測量儀 簡稱介損儀,是指采用電橋原理,應(yīng)用數(shù)字測量技術(shù),對介質(zhì)損耗角正切值和電容量進行自動測量的一種新型儀器。一般包含高壓電橋、高壓試驗電源和高壓標準電容器三部分。 AI-6000利用變頻抗干擾原理,采用傅立葉變化數(shù)字波形分析技術(shù),對標準電流和試品電流進行計算,抑制干擾能力強,測量結(jié)果準確穩(wěn)定。 7、外施使用外部高壓試驗電源和標準電容器進行試驗,對介損儀的示值按一定的比例關(guān)系進行計算得到測量結(jié)果的方法。 8、內(nèi)施使用介損儀內(nèi)附高壓電源和標準器進行試驗,直接得到測量結(jié)果的方法。 9、正接線用于測量不接地試品的方法,測量時介損儀測量回路處于地電位。 10、反接線用于測量接地試品的方法,測量時介損儀測量回路處于高電位,他與外殼之間承受全部試驗電壓。11、常用介損儀的分類現(xiàn)常用介損儀有西林型和M型兩種,QS1和AI-6000為西林型。12、常用抗干擾方法 在介質(zhì)損耗測量中常見抗干擾方法有三種: 倒相法、移相法和變頻法。AI-6000采用變頻法抗干擾,同時支持倒相法測量。13、準確度的表示方法tgδ:±(1%D+0.0004) Cx:±(1%C+1pF) +前表示為相對誤差,+后表示為誤差。相對誤差小表示儀器的量程線性度好,誤差小表示儀器的誤差起點低。校驗時讀數(shù)與標準值的差應(yīng)小于以上準確度,否則就是超差。14、抗干擾指標抗干擾指標為滿足儀器準確度的前提下,干擾電流與試驗電流的大比例,比例越大,抗干擾性能越好。AI-6000在200%干擾(即I干擾/ I試品≤2)下仍能達到上述準確度。

 

介質(zhì)損耗因數(shù) 

介質(zhì)損耗(dielectric loss )指的是絕緣材料在電場作用下,由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng),在其內(nèi)部引起的能量損耗。也叫介質(zhì)損失,簡稱介損。

介質(zhì)損耗因數(shù)(dielectric loss factor)指的是衡量介質(zhì)損耗程度的參數(shù)

 

下面是我公司生產(chǎn)的介電常數(shù)測試儀參數(shù):

 

介電常數(shù)測試儀

 

陶瓷介電常數(shù)測試儀BH916測試裝置(夾具)、GDAT型高頻Q表、數(shù)據(jù)采集和tanδ自動測量控件(裝入GDAT)、及LKI-1型電感器組成,它依據(jù)國標GB/T 1409-2006、美標ASTM D150以及電工委員會IEC60250的規(guī)定設(shè)計制作。系統(tǒng)提供了絕緣材料的高頻介質(zhì)損耗角正切值(tanδ)和介電常數(shù)(ε)自動測量的解決方案。

1、《BH916介質(zhì)損耗裝置》(測試夾具)是測試系統(tǒng)的核心檢測部件,它由一個LCD數(shù)字顯示的微測量裝置和一對經(jīng)精密加工的、間距可調(diào)的平板電容器極片組成。平板電容器極片用于夾持被測材料樣品,微測量裝置則顯示被測材料樣品的厚度。通過被測材料樣品放進平板電容器和不放進樣品時的Q值變化的量化,測得絕緣材料的損耗角正切值。從平板電容器平板間距的讀值變化則可換算得到絕緣材料介電常數(shù)。BH916介質(zhì)損耗測試裝置是本公司研制的更新?lián)Q代產(chǎn)品,精密的加工設(shè)計、的LCD數(shù)字讀出、一鍵式清零功能,克服了機械刻度讀數(shù)誤差和圓筒形電容裝置不可避免的測量誤差。

 

 

2、基于串聯(lián)諧振原理的《GDAT高頻Q表》是測試系統(tǒng)的二次儀表,其數(shù)碼化主調(diào)電容器的創(chuàng)新設(shè)計代表了行業(yè)的成就,隨之帶來了頻率、電容雙掃描GDAT的全新搜索功能。該表具有先進的人機界面,采用LCD液晶屏顯示各測量因子:Q值、電感L、主調(diào)電容器C、測試頻率F、諧振趨勢指針等。高頻信源采用直接數(shù)字合成,測試頻率10KHz-60MH200KHz-160MHz,頻率精度高達1×10-6。國標GB/T 1409-2006規(guī)定了用Q表法來測定電工材料高頻介質(zhì)損耗角正切值(tanδ)和介電常數(shù)(ε),把被測材料作為平板電容的介質(zhì),與輔助電感等構(gòu)成串聯(lián)諧振因子引入Q表的測試回路,以獲取測試靈敏度。因而Q表法的測試結(jié)果更真實地反映了介質(zhì)在高頻工作狀態(tài)下的特征。

   GDAT高頻Q表的全數(shù)字化界面和微機控制使讀數(shù)清晰穩(wěn)定、操作簡便。操作者能在任意點頻率或電容值的條件下檢測Q值甚至tanδ,無須關(guān)注量程和換算,*摒棄了傳統(tǒng)Q表依賴面板上印制的輔助表格操作的落后狀況,它無疑是電工材料高頻介質(zhì)損耗角正切值(tanδ)和介電常數(shù)(ε)測量的理想工具。

 

3、數(shù)據(jù)采集和tanδ自動測量控件(裝入GDAT),實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和計算的微處理化,tanδ 測量結(jié)果的獲得無須繁瑣的人工處理,因而提高了數(shù)據(jù)的度和測量的同一性,是人工讀值和人工計算*的。

4、一個高品質(zhì)因數(shù)(Q)的電感器是測量系統(tǒng)*的輔助工具,關(guān)乎測試的靈敏度和精度,在系統(tǒng)中它與平板電容(BH916)構(gòu)成了基于串聯(lián)諧振的測試回路。本系統(tǒng)推薦的電感器為LKI-1電感組,共由9個高性能電感器組成,以適配不同的檢測頻率。

 

 

附表一,介質(zhì)損耗測試系統(tǒng)主要性能參數(shù)一覽表

BH916測試裝置

GDAT高頻Q

平板電容極片

Φ50mm/Φ38mm可選

頻率范圍

20KHz-60MHz/200KHz-160MHz

間距可調(diào)范圍

≥15mm

頻率指示誤差

3×10-5±1個字

夾具插頭間距

25mm±0.01mm

主電容調(diào)節(jié)范圍

30-500/18-220pF

測微桿分辨率

0.001mm

主調(diào)電容誤差

<1%1pF

夾具損耗角正切值

4×10-4 1MHz)

Q測試范圍

21023

 

附表二,LKI-1電感組典型測試數(shù)據(jù)

線圈號

測試頻率

Q

分布電容p

電感值

9

100KHz

98

9.4

25mH

8

400KHz

138

11.4

4.87mH

7

400KHz

202

16

0.99mH

6

1MHz

196

13

252μH

5

2MHz

198

8.7

49.8μH

4

4.5MHz

231

7

10μH

3

12MHz

193

6.9

2.49μH

2

12MHz

229

6.4

0.508μH

1

25MHz
50MHz

233
211

0.9

0.125μH

 

 

技術(shù)指標和功能以隨機說明書為準

 

平板電容極片:Φ50mm/Φ38mm可選

間距可調(diào)范圍:≥15mm  

頻率范圍        20KHz-60MHz/200KHz-160MHz

頻率指示誤差:3×10-5±1個字

夾具插頭間距:25mm±0.01mm

主電容調(diào)節(jié)范圍:30-500/18-220pF

測微桿分辨率:0.001mm

主調(diào)電容誤差:<1%1pF

夾具損耗角正切值:4×10-4 1MHz)

Q測試范圍:21023

 

 

標簽:介電常數(shù)測試儀,介電常數(shù)介質(zhì)損耗測試儀

聯(lián)系人:陳丹
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