什么是介電常數(shù)
"介電常數(shù)" 在工具書(shū)中的解釋:
1.又稱(chēng)電容率或相對(duì)電容率，表征電介質(zhì)或絕緣材料電性能的一個(gè)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(shí)的電容的比值，表示電介質(zhì)在電場(chǎng)中貯存靜電能的相對(duì)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(shí)為 83.83。
2.介電常數(shù)是物質(zhì)相對(duì)于真空來(lái)說(shuō)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(gè)重要性質(zhì)，它表征溶劑對(duì)溶質(zhì)分子溶劑化以及隔開(kāi)離子的能力。介電常數(shù)大的溶劑，有較大隔開(kāi)離子的能力，同時(shí)也具有較強(qiáng)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(jiàn)下表:
"介電常數(shù)" 在學(xué)術(shù)文獻(xiàn)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(xiàng)參數(shù)值較小
2.其介質(zhì)常數(shù)具有復(fù)數(shù)形式，實(shí)數(shù)部分稱(chēng)為介電常數(shù)，虛數(shù)部分稱(chēng)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(lái)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(qiáng)
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(hào)傳播速度的公式如下:V=K
4.為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，后面將相對(duì)介電常數(shù)均稱(chēng)為介電常數(shù).反射脈沖信號(hào)的強(qiáng)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?chē)橘|(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(lái)，半導(dǎo)體工業(yè)界對(duì)低介電常數(shù)材料的研究日益增多，材料的種類(lèi)也五花八門(mén)。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(yuǎn)沒(méi)有人們想象的那么快。其主要低介電常數(shù)薄膜機(jī)械性質(zhì)量測(cè)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(shí)期半導(dǎo)體工業(yè)界預(yù)計(jì)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(cè)。
早在1997年，人們就認(rèn)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(dá)到1.5。然而隨著時(shí)間的推移，這種樂(lè)觀的估計(jì)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(lái)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(jì)與現(xiàn)實(shí)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(jī)械強(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(kāi)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(wèn)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(cè)量方法：
相對(duì)介電常數(shù)εr可以用靜電場(chǎng)用如下方式測(cè)量:首先在兩塊極板之間為真空的時(shí)候測(cè)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(cè)得電容Cx。然后相對(duì)介電常數(shù)可以用下式計(jì)算
εr=Cx/C0
在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不含二氧化碳的干燥空氣的相對(duì)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(lái)代替C0來(lái)測(cè)量相對(duì)電容率εr時(shí)，也有足夠的準(zhǔn)確度。(參考GB/T 1409-2006)
對(duì)于時(shí)變電磁場(chǎng)，物質(zhì)的介電常數(shù)和頻率相關(guān)，通常稱(chēng)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(chǎng)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(jiǎn)稱(chēng)介損。
2、介質(zhì)損耗角δ 在交變電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)流過(guò)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(jiǎn)稱(chēng)介損角。
3、介質(zhì)損耗正切值tgδ 又稱(chēng)介質(zhì)損耗因數(shù)，是指介質(zhì)損耗角正切值，簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)測(cè)量δ或者Φ得到介損因數(shù)。 測(cè)量介損對(duì)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(jìn)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(cè)量介損的同時(shí)，也能得到試品的電容量。如果多個(gè)電容屏中的一個(gè)或幾個(gè)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(gè)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(cè)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(cè)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(shí)這兩個(gè)數(shù)值非常接近。 5、高壓電容電橋高壓電容電橋的標(biāo)準(zhǔn)通道輸入標(biāo)準(zhǔn)電容器的電流、試品通道輸入試品電流。通過(guò)比對(duì)電流相位差測(cè)量tgδ，通過(guò)出比電流幅值測(cè)量試品電容量。因此用電橋測(cè)量介損還需要攜帶標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量?jī)x 簡(jiǎn)稱(chēng)介損儀，是指采用電橋原理，應(yīng)用數(shù)字測(cè)量技術(shù)，對(duì)介質(zhì)損耗角正切值和電容量進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的一種新型儀器。一般包含高壓電橋、高壓試驗(yàn)電源和高壓標(biāo)準(zhǔn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)電流和試品電流進(jìn)行計(jì)算，抑制干擾能力強(qiáng)，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定。 7、外施使用外部高壓試驗(yàn)電源和標(biāo)準(zhǔn)電容器進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)介損儀的示值按一定的比例關(guān)系進(jìn)行計(jì)算得到測(cè)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(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行試驗(yàn)，直接得到測(cè)量結(jié)果的方法。 9、正接線用于測(cè)量不接地試品的方法，測(cè)量時(shí)介損儀測(cè)量回路處于地電位。 10、反接線用于測(cè)量接地試品的方法，測(cè)量時(shí)介損儀測(cè)量回路處于高電位，他與外殼之間承受全部試驗(yàn)電壓。11、常用介損儀的分類(lèi)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(cè)量中常見(jiàn)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(shí)支持倒相法測(cè)量。13、準(zhǔn)確度的表示方法tgδ：±（1%D+0.0004） Cx：±（1%C+1pF） +前表示為相對(duì)誤差，+后表示為誤差。相對(duì)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(diǎn)低。校驗(yàn)時(shí)讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值的差應(yīng)小于以上準(zhǔn)確度，否則就是超差。14、抗干擾指標(biāo)抗干擾指標(biāo)為滿足儀器準(zhǔn)確度的前提下，干擾電流與試驗(yàn)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(dá)到上述準(zhǔn)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(chǎng)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(jiǎn)稱(chēng)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(cè)試儀參數(shù)：
介電常數(shù)測(cè)試儀
陶瓷介電常數(shù)測(cè)試儀由BH916測(cè)試裝置（夾具）、GDAT型高頻Q表、數(shù)據(jù)采集和tanδ自動(dòng)測(cè)量控件（裝入GDAT)、及LKI-1型電感器組成，它依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 1409-2006、美標(biāo)ASTM D150以及電工委員會(huì)IEC60250的規(guī)定設(shè)計(jì)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(dòng)測(cè)量的解決方案。
1、《BH916介質(zhì)損耗裝置》(測(cè)試夾具)是測(cè)試系統(tǒng)的核心檢測(cè)部件，它由一個(gè)LCD數(shù)字顯示的微測(cè)量裝置和一對(duì)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(cè)材料樣品，微測(cè)量裝置則顯示被測(cè)材料樣品的厚度。通過(guò)被測(cè)材料樣品放進(jìn)平板電容器和不放進(jìn)樣品時(shí)的Q值變化的量化，測(cè)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(cè)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(jì)、的LCD數(shù)字讀出、一鍵式清零功能，克服了機(jī)械刻度讀數(shù)誤差和圓筒形電容裝置不可避免的測(cè)量誤差。
2、基于串聯(lián)諧振原理的《GDAT高頻Q表》是測(cè)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(jì)代表了行業(yè)的成就，隨之帶來(lái)了頻率、電容雙掃描GDAT的全新搜索功能。該表具有先進(jìn)的人機(jī)界面，采用LCD液晶屏顯示各測(cè)量因子：Q值、電感L、主調(diào)電容器C、測(cè)試頻率F、諧振趨勢(shì)指針等。高頻信源采用直接數(shù)字合成,測(cè)試頻率10KHz-60MH或200KHz-160MHz，頻率精度高達(dá)1×10-6。國(guó)標(biāo)GB/T 1409-2006規(guī)定了用Q表法來(lái)測(cè)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(cè)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(cè)試回路，以獲取測(cè)試靈敏度。因而Q表法的測(cè)試結(jié)果更真實(shí)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(jī)控制使讀數(shù)清晰穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便。操作者能在任意點(diǎn)頻率或電容值的條件下檢測(cè)Q值甚至tanδ，無(wú)須關(guān)注量程和換算，*摒棄了傳統(tǒng)Q表依賴(lài)面板上印制的輔助表格操作的落后狀況，它無(wú)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(cè)量的理想工具。
3、數(shù)據(jù)采集和tanδ自動(dòng)測(cè)量控件（裝入GDAT)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和計(jì)算的微處理化，tanδ 測(cè)量結(jié)果的獲得無(wú)須繁瑣的人工處理，因而提高了數(shù)據(jù)的度和測(cè)量的同一性，是人工讀值和人工計(jì)算*的。
4、一個(gè)高品質(zhì)因數(shù)（Q)的電感器是測(cè)量系統(tǒng)*的輔助工具，關(guān)乎測(cè)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(cè)試回路。本系統(tǒng)推薦的電感器為LKI-1電感組，共由9個(gè)高性能電感器組成，以適配不同的檢測(cè)頻率。
附表一,介質(zhì)損耗測(cè)試系統(tǒng)主要性能參數(shù)一覽表 | |||
BH916測(cè)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(gè)字 |
夾具插頭間距 | 25mm±0.01mm | 主電容調(diào)節(jié)范圍 | 30-500/18-220pF |
測(cè)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(cè)試范圍 | 2～1023 |
附表二,LKI-1電感組典型測(cè)試數(shù)據(jù) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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技術(shù)指標(biāo)和功能以隨機(jī)說(shuō)明書(shū)為準(zhǔn) |
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(gè)字
夾具插頭間距：25mm±0.01mm
主電容調(diào)節(jié)范圍：30-500/18-220pF
測(cè)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(cè)試范圍：2～1023
標(biāo)簽：介電常數(shù)測(cè)試儀，介電常數(shù)介質(zhì)損耗測(cè)試儀
