什么是介電常數(shù)
"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為電介質和真空時的電容的比值，表示電介質在電場中貯存靜電能的相對能力。空氣和CS2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。在化學中，介電常數(shù)是溶劑的一個重要性質，它表征溶劑對溶質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)" 在學術文獻中的解釋:
1.介電常數(shù)是指物質保持電荷的能力，損耗因數(shù)是指由于物質的分散程度使能量損失的大小。理想的物質的兩項參數(shù)值較小
2.其介質常數(shù)具有復數(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為電介質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，主要取決于周圍介質與反射體的電導率和介電常數(shù)。
介電常數(shù)的應用：
近十年來，半導體工業(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)薄膜機械性質量測結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用的要求。圖2是不同時期半導體工業(yè)界預計低介電常數(shù)材料在集成電路工藝中應用的前景預測。
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，半導體技術規(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用，其介電常數(shù)范圍已經(jīng)變成2.7~3.1。
造成預計與現(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、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)與熱傳導系數(shù)往往就呈反比關系。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及其以下技術的研究，先后選用了應用材料公司(Applied Materials)的Black Diamond 作為低介電常數(shù)材料。該材料采用PE-CVD技術[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。
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，物質的介電常數(shù)和頻率相關，通常稱為介電系數(shù)
什么是介質損耗：
介質損耗 什么是介質損耗：絕緣材料在電場作用下，由于介質電導和介質極化的滯后效應，在其內(nèi)部引起的能量損耗。也叫介質損失，簡稱介損。
2、介質損耗角δ 在交變電場作用下，電介質內(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、介質損耗正切值tgδ 又稱介質損耗因數(shù)，是指介質損耗角正切值，簡稱介損角正切。介質損耗因數(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:
有的介損測試儀習慣顯示功率因數(shù)(PF:cosΦ)，而不是介質損耗因數(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、高壓介質損耗測量儀 簡稱介損儀，是指采用電橋原理，應用數(shù)字測量技術，對介質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，對標準電流和試品電流進行計算，抑制干擾能力強，測量結果準確穩(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系進行計算得到測量結果的方法。 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。
介質損耗因數(shù)
介質損耗(dielectric loss )指的是絕緣材料在電場作用下，由于介質電導和介質極化的滯后效應，在其內(nèi)部引起的能量損耗。也叫介質損失，簡稱介損。
介質損耗因數(shù)(dielectric loss factor)指的是衡量介質損耗程度的參數(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)測試儀由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)定設計制作。系統(tǒng)提供了絕緣材料的高頻介質損耗角正切值(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-60MH或200KHz-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，與輔助電感等構成串聯(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表法的測試結果更真實地反映了介質在高頻工作狀態(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、一個高品質因數(shù)（Q)的電感器是測量系統(tǒng)*的輔助工具，關乎測試的靈敏度和精度，在系統(tǒng)中它與平板電容（BH916）構成了基于串聯(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表 | ||
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%或1pF |
夾具損耗角正切值 | ≦4×10-4 （1MHz) | Q測試范圍 | 2～1023 |
附表二,LKI-1電感組典型測試數(shù)據(jù) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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技術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%或1pF
夾具損耗角正切值：≦4×10-4 （1MHz)
Q測試范圍：2～1023
標簽：介電常數(shù)測試儀，介電常數(shù)介質損耗測試儀
