Analyse des dielektrischen Verlusts, des dielektrischen Temperaturspektrums und der Impedanz-Temperaturspektrum-Testtechnologie von Keramiksubstraten

Keramiksubstrat ist das Kernmaterial der Leistungselektronik, der Hochfrequenzkommunikation und der Halbleiterverpackung. Seine dielektrischen Eigenschaften und Impedanzeigenschaften bestimmen direkt die Signalübertragungseffizienz, thermische Stabilität und langfristige Zuverlässigkeit des Geräts. Der dielektrische Verlust, das dielektrische Temperaturspektrum und das Impedanztemperaturspektrum sind Schlüsselindikatoren für die Bewertung der elektrischen Leistung von Keramiksubstraten. Die Standardisierung und Genauigkeit der Prüftechnologie sind von entscheidender Bedeutung für Materialforschung und -entwicklung, Prozessoptimierung und Qualitätskontrolle.

Der dielektrische Verlust (tanδ) stellt den Grad des Verlusts von Keramiksubstraten dar, wenn Energie in einem elektrischen Wechselfeld in Wärmeenergie umgewandelt wird. Sie ist der zentrale Parameter zur Messung der Verlustarmut von Materialien. Der Test basiert auf GB/T 5594.4-2015, IEC 60250 und anderen Standards, und häufig werden die Parallelplattenelektrodenmethode und die Resonanzmethode verwendet. Während des Tests wird die vorbereitete Keramiksubstratprobe (glatte Oberfläche, keine Risse, gleichmäßige Dicke) zwischen die Elektroden gelegt, ein elektrisches Wechselfeld einer bestimmten Frequenz (1 kHz ~ 1 MHz) angelegt, der Kapazitätswert und der Verlustwert mit einem LCR-Messgerät oder Impedanzanalysator gemessen und der Tangenswert des dielektrischen Verlustwinkels nach der Umrechnung ermittelt. In Hochfrequenzszenarien (z. B. 5G-Hochfrequenzgeräten) wird die Streifenleitungsresonanzmethode verwendet, um die Resonanzfrequenz und den Qualitätsfaktor mithilfe eines Netzwerkanalysators zu testen und den dielektrischen Verlust im Mikrowellenfrequenzband genau zu berechnen.

Das dielektrische Temperaturspektrum spiegelt die Änderungen der Dielektrizitätskonstante wider Der dielektrische Verlust hängt von der Temperatur ab und ist ein zentrales Prüfelement zur Bewertung der Temperaturstabilität von Keramiksubstraten. Das Testsystem besteht aus einer Hoch- und Niedertemperatur-Temperiereinheit, einem dielektrischen Testmodul und einem Datenerfassungssystem. Der Testprozess besteht aus: Probenvorbehandlung (Reinigung, Trocknung, Beseitigung von Feuchtigkeit und Verunreinigungen), Elektrodenvorbereitung (Vakuumverdampfung von Silberelektroden oder Auftragen von leitfähiger Paste), Temperaturkalibrierung (Kalibrierung des Sensors mit einer Standardprobe) und anschließende Festlegung der Frequenz (z. B. 10 kHz, 100 kHz), Erhitzen/Kühlen mit konstanter Geschwindigkeit innerhalb des eingestellten Temperaturbereichs, gleichzeitiges Sammeln von Daten zur Dielektrizitätskonstante und zum dielektrischen Verlust sowie Zeichnen einer Temperaturspektrumkurve. Dieser Test kann den Materialphasenübergangspunkt, das Relaxationsverhalten und die Verlustmutation bei hoher Temperatur genau erfassen und so Datenunterstützung für die Anwendung von Substraten unter Bedingungen eines weiten Temperaturbereichs liefern.

Impedanzthermospektroskopie analysiert den Leitungsmechanismus, die Grenzflächeneigenschaften und die Defektverteilung von Keramiksubstraten, indem die Änderungen im Impedanzmoduswert und in der Phase mit Temperatur und Frequenz getestet werden. Basierend auf der Impedanzspektrum-Technologie wird ein sinusförmiges Wechselstromsignal angelegt, innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs und eines festgelegten Temperaturintervalls abgetastet, die komplexe Impedanz der Probe (Z=Z'+iZ'') gemessen und ein dreidimensionales Impedanz-Temperatur-Frequenz-Spektrum erstellt. Durch Ersatzschaltbildanpassung können die Impedanzbeiträge von Körnern, Korngrenzen und Elektrodenschnittstellen unterschieden und der Einfluss der Temperatur auf die Ladungsträgermigration und die Defektaktivierungsenergie analysiert werden. Es eignet sich besonders zur Bewertung der Isolationszuverlässigkeit und des Alterungsverhaltens von Keramiksubstraten bei hohen Temperaturen.

Während des Testprozesses sind der Probenstatus, die Umgebungsbedingungen und die Gerätekalibrierung der Schlüssel zur Gewährleistung der Datengenauigkeit. Die Probe muss sicherstellen, dass die Oberflächenrauheit ≤ Ra0,8 μm beträgt und der Dickengleichmäßigkeitsfehler <1 % beträgt; Die Testumgebung wird auf eine Temperatur von (23 ± 2) °C und eine Luftfeuchtigkeit von 50 % ± 5 % kontrolliert, um zu verhindern, dass Wasserdampfadsorption die dielektrische Leistung beeinträchtigt. Das Gerät muss regelmäßig mit Standardkapazität und Standardwiderstand kalibriert werden, um Systemfehler auszuschließen.

Zusammenfassend können Tests zum dielektrischen Verlust, zum dielektrischen Temperaturspektrum und zum Impedanztemperaturspektrum die elektrischen Eigenschaften von Keramiksubstraten umfassend charakterisieren, vom normalen Temperaturverlust über eine breite Temperaturstabilität bis hin zu mikroskopischen Leitmechanismen. Standardisierte Testverfahren und präzise Geräteunterstützung liefern wissenschaftliche Grundlagen für die Materialauswahl von Keramiksubstraten, die Optimierung von Formeln und Prozessverbesserungen und unterstützen die Entwicklung elektronischer Geräte in Richtung Hochfrequenz, Miniaturisierung und hohe Zuverlässigkeit.