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什么是介电常数

点击次数:115  发布时间:2019-01-23

"介电常数" 在工具书中的解释:

1.又称电容率或相对电容率,表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据,常用ε表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值,表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。空气和CS2的ε值分别为1.0006和2.6左右,而水的ε值较大,10℃时为 83.83。

2.介电常数是物质相对于真空来说增加电容器电容能力的度量。介电常数随分子偶极矩和可极化性的增大而增大。在化学中,介电常数是溶剂的一个重要性质,它表征溶剂对溶质分子溶剂化以及隔开离子的能力。介电常数大的溶剂,有较大隔开离子的能力,同时也具有较强的溶剂化能力。介电常数用ε表示,一些常用溶剂的介电常数见下表:

"介电常数" 在学术文献中的解释:

1.介电常数是指物质保持电荷的能力,损耗因数是指由于物质的分散程度使能量损失的大小。理想的物质的两项参数值较小

2.其介质常数具有复数形式,实数部分称为介电常数,虚数部分称为损耗因子.通常用损耗角的正切值tanθ(损耗因子与介电常数之比)来表示材料与微波的耦合能力,损耗正切值越大,材料与微波的耦合能力就越强

3.介电常数是指在同一电容器中用某一物质为电介质与该电容器在真空中的电容的比值.在高频线路中信号传播速度的公式如下:V=K

4.为简单起见,后面将相对介电常数均称为介电常数.反射脉冲信号的强度,与界面的波反射系数和透射波的衰减系数有关,主要取决于周围介质与反射体的电导率和介电常数。

 

 

介电常数的应用:

近十年来,半导体工业界对低介电常数材料的研究日益增多,材料的种类也五花八门。然而这些低介电常数材料能够在集成电路生产工艺中应用的速度却远没有人们想象的那么快。其主要低介电常数薄膜机械性质量测结果原因是许多低介电常数材料并不能满足集成电路工艺应用的要求。图2是不同时期半导体工业界预计低介电常数材料在集成电路工艺中应用的前景预测。

早在1997年,人们就认为在2003年,集成电路工艺中将使用的绝缘材料的介电常数(k值)将达到1.5。然而随着时间的推移,这种乐观的估计被不断更新。到2003年,国际半导体技术规划(ITRS 2003[7])给出低介电常数材料在集成电路未来几年的应用,其介电常数范围已经变成2.7~3.1。

造成预计与现实如此大差异的原因是,在集成电路工艺中,低介电常数材料必须满足诸多条件,例如:足够的机械强度(MECHANICAL strength)以支撑多层连线的架构、高杨氏系数(Young's modulus)、高击穿电压(breakdown voltage>4MV/cm)、低漏电(leakage current<10-9 at 1MV/cm)、高热稳定性(thermal stability >450oC)、良好的粘合强度(adhesion strength)、低吸水性(low moisture uptake)、低薄膜应力(low film stress)、高平坦化能力(planarization)、低热涨系数(coefficient of thermal expansion)以及与化学机械抛光工艺的兼容性(compatibility with CMP process)等等。能够满足上述特性的完美的低介电常数材料并不容易获得。例如,薄膜的介电常数与热传导系数往往就呈反比关系。因此,低介电常数材料本身的特性就直接影响到工艺集成的难易度。

目前在超大规模集成电路制造商中,TSMC、 Motorola、AMD以及NEC等许多公司为了开发90nm及其以下技术的研究,先后选用了应用材料公司(Applied Materials)的Black Diamond 作为低介电常数材料。该材料采用PE-CVD技术[8] ,与现有集成电路生产工艺完全融合,并且引入BLOk薄膜作为低介电常数材料与金属间的隔离层,很好的解决了上述提及的诸多问题,是目前已经用于集成电路商业化生产为数不多的低介电常数材料之一。

 

低介电常数薄膜机械性质量测结果

测量方法:

相对介电常数εr可以用静电场用如下方式测量:首先在两块极板之间为真空的时候测试电容器的电容C0。然后,用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后测得电容Cx。然后相对介电常数可以用下式计算

εr=Cx/C0

在标准大气压下,不含二氧化碳的干燥空气的相对电容率εr=1.00053.因此,用这种电极构形在空气中的电容Ca来代替C0来测量相对电容率εr时,也有足够的准确度。(参考GB/T 1409-2006)

对于时变电磁场,物质的介电常数和频率相关,通常称为介电系数

 

 

什么是介质损耗:

介质损耗 什么是介质损耗:绝缘材料在电场作用下,由于介质电导和介质极化的滞后效应,在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失,简称介损。

2、介质损耗角δ 在交变电场作用下,电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角(功率因数角Φ)的余角(δ)。 简称介损角。

3、介质损耗正切值tgδ 又称介质损耗因数,是指介质损耗角正切值,简称介损角正切。介质损耗因数的定义如下:

如果取得试品的电流相量和电压相量,则可以得到如下相量图:

总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成,因此:

这正是损失角δ=(90°-Φ)的正切值。因此现在的数字化仪器从本质上讲,是通过测量δ或者Φ得到介损因数。 测量介损对判断电气设备的绝缘状况是一种传统的、十分有效的方法。绝缘能力的下降直接反映为介损增大。进一步就可以分析绝缘下降的原因,如:绝缘受潮、绝缘油受污染、老化变质等等。测量介损的同时,也能得到试品的电容量。如果多个电容屏中的一个或几个发生短路、断路,电容量就有明显的变化,因此电容量也是一个重要参数。 4、功率因数cosΦ功率因数是功率因数角Φ的余弦值,意义为被测试品的总视在功率S中有功功率P所占的比重。功率因数的定义如下:

有的介损测试仪习惯显示功率因数(PF:cosΦ),而不是介质损耗因数(DF:tgδ)。一般cosΦ<tgδ,在损耗很小时这两个数值非常接近。 5、高压电容电桥高压电容电桥的标准通道输入标准电容器的电流、试品通道输入试品电流。通过比对电流相位差测量tgδ,通过出比电流幅值测量试品电容量。因此用电桥测量介损还需要携带标准电容器、升压PT和调压器。接线也十分烦琐。 6、高压介质损耗测量仪 简称介损仪,是指采用电桥原理,应用数字测量技术,对介质损耗角正切值和电容量进行自动测量的一种新型仪器。一般包含高压电桥、高压试验电源和高压标准电容器三部分。 AI-6000利用变频抗干扰原理,采用傅立叶变化数字波形分析技术,对标准电流和试品电流进行计算,抑制干扰能力强,测量结果准确稳定。 7、外施使用外部高压试验电源和标准电容器进行试验,对介损仪的示值按一定的比例关系进行计算得到测量结果的方法。 8、内施使用介损仪内附高压电源和标准器进行试验,直接得到测量结果的方法。 9、正接线用于测量不接地试品的方法,测量时介损仪测量回路处于地电位。 10、反接线用于测量接地试品的方法,测量时介损仪测量回路处于高电位,他与外壳之间承受全部试验电压。11、常用介损仪的分类现常用介损仪有西林型和M型两种,QS1和AI-6000为西林型。12、常用抗干扰方法 在介质损耗测量中常见抗干扰方法有三种: 倒相法、移相法和变频法。AI-6000采用变频法抗干扰,同时支持倒相法测量。13、准确度的表示方法tgδ:±(1%D+0.0004) Cx:±(1%C+1pF) +前表示为相对误差,+后表示为绝对误差。相对误差小表示仪器的量程线性度好,绝对误差小表示仪器的误差起点低。校验时读数与标准值的差应小于以上准确度,否则就是超差。14、抗干扰指标抗干扰指标为满足仪器准确度的前提下,干扰电流与试验电流的最大比例,比例越大,抗干扰性能越好。AI-6000在200%干扰(即I干扰/ I试品≤2)下仍能达到上述准确度。

 

介质损耗因数 

介质损耗(dielectric loss )指的是绝缘材料在电场作用下,由于介质电导和介质极化的滞后效应,在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失,简称介损。

介质损耗因数(dielectric loss factor)指的是衡量介质损耗程度的参数

 

下面是我公司生产的介电常数测试仪参数:

 

介电常数测试仪

 

陶瓷介电常数测试仪BH916测试装置(夹具)、GDAT型高频Q表、数据采集和tanδ自动测量控件(装入GDAT)、及LKI-1型电感器组成,它依据国标GB/T 1409-2006、美标ASTM D150以及国际电工委员会IEC60250的规定设计制作。系统提供了绝缘材料的高频介质损耗角正切值(tanδ)和介电常数(ε)自动测量的解决方案。

1、《BH916介质损耗装置》(测试夹具)是测试系统的核心检测部件,它由一个LCD数字显示的微测量装置和一对经精密加工的、间距可调的平板电容器极片组成。平板电容器极片用于夹持被测材料样品,微测量装置则显示被测材料样品的厚度。通过被测材料样品放进平板电容器和不放进样品时的Q值变化的量化,测得绝缘材料的损耗角正切值。从平板电容器平板间距的读值变化则可换算得到绝缘材料介电常数。BH916介质损耗测试装置是本公司研制的更新换代产品,精密的加工设计、精确的LCD数字读出、一键式清零功能,克服了机械刻度读数误差和圆筒形电容装置不可避免的测量误差。

 

 

2、基于串联谐振原理的《GDAT高频Q表》是测试系统的二次仪表,其数码化主调电容器的创新设计代表了行业的成就,随之带来了频率、电容双扫描GDAT的全新搜索功能。该表具有先进的人机界面,采用LCD液晶屏显示各测量因子:Q值、电感L、主调电容器C、测试频率F、谐振趋势指针等。高频信源采用直接数字合成,测试频率10KHz-60MH200KHz-160MHz,频率精度高达1×10-6。国标GB/T 1409-2006规定了用Q表法来测定电工材料高频介质损耗角正切值(tanδ)和介电常数(ε),把被测材料作为平板电容的介质,与辅助电感等构成串联谐振因子引入Q表的测试回路,以获取测试灵敏度。因而Q表法的测试结果更真实地反映了介质在高频工作状态下的特征。

   GDAT高频Q表的全数字化界面和微机控制使读数清晰稳定、操作简便。操作者能在任意点频率或电容值的条件下检测Q值甚至tanδ,无须关注量程和换算,彻底摒弃了传统Q表依赖面板上印制的辅助表格操作的落后状况,它无疑是电工材料高频介质损耗角正切值(tanδ)和介电常数(ε)测量的理想工具。

 

3、数据采集和tanδ自动测量控件(装入GDAT),实现了数据采集、数据分析和计算的微处理化,tanδ 测量结果的获得无须繁琐的人工处理,因而提高了数据的精确度和测量的同一性,是人工读值和人工计算无法比拟的。

4、一个高品质因数(Q)的电感器是测量系统必不可少的辅助工具,关乎测试的灵敏度和精度,在系统中它与平板电容(BH916)构成了基于串联谐振的测试回路。本系统推荐的电感器为LKI-1电感组,共由9个高性能电感器组成,以适配不同的检测频率。

 

 

附表一,介质损耗测试系统主要性能参数一览表

BH916测试装置

GDAT高频Q

平板电容极片

Φ50mm/Φ38mm可选

频率范围

20KHz-60MHz/200KHz-160MHz

间距可调范围

≥15mm

频率指示误差

3×10-5±1个字

夹具插头间距

25mm±0.01mm

主电容调节范围

30-500/18-220pF

测微杆分辨率

0.001mm

主调电容误差

<1%1pF

夹具损耗角正切值

4×10-4 1MHz)

Q测试范围

21023

 

附表二,LKI-1电感组典型测试数据

线圈号

测试频率

Q

分布电容p

电感值

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

 

 

技术指标和功能以随机说明书为准

 

平板电容极片:Φ50mm/Φ38mm可选

间距可调范围:≥15mm  

频率范围        20KHz-60MHz/200KHz-160MHz

频率指示误差:3×10-5±1个字

夹具插头间距:25mm±0.01mm

主电容调节范围:30-500/18-220pF

测微杆分辨率:0.001mm

主调电容误差:<1%1pF

夹具损耗角正切值:4×10-4 1MHz)

Q测试范围:21023

 

 

标签:介电常数测试仪,介电常数介质损耗测试仪

联系人:王女士
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