Analisi della tecnologia di prova della perdita dielettrica, dello spettro di temperatura dielettrico e dello spettro di temperatura dell'impedenza dei substrati ceramici

Il substrato ceramico è il materiale principale dell'elettronica di potenza, delle comunicazioni in radiofrequenza e dell'imballaggio dei semiconduttori. Le sue proprietà dielettriche e le caratteristiche di impedenza determinano direttamente l'efficienza di trasmissione del segnale, la stabilità termica e l'affidabilità a lungo termine del dispositivo. La perdita dielettrica, lo spettro della temperatura dielettrica e lo spettro della temperatura dell'impedenza sono indicatori chiave per valutare le prestazioni elettriche dei substrati ceramici. La standardizzazione e l'accuratezza della tecnologia di prova sono cruciali per la ricerca e lo sviluppo dei materiali, l'ottimizzazione dei processi e il controllo di qualità.

La perdita dielettrica (tanδ) rappresenta il grado di perdita dei substrati ceramici quando l'energia viene convertita in energia termica in un campo elettrico alternato. È il parametro fondamentale per misurare le prestazioni a basse perdite dei materiali. Il test si basa su GB/T 5594.4-2015, IEC 60250 e altri standard e vengono comunemente utilizzati il ​​metodo dell'elettrodo a piastre parallele e il metodo di risonanza. Durante il test, il campione di substrato ceramico preparato (superficie liscia, senza crepe, spessore uniforme) viene posizionato tra gli elettrodi, viene applicato un campo elettrico alternato di una frequenza specifica (1kHz~1MHz), il valore di capacità e il valore di perdita vengono misurati tramite un misuratore LCR o un analizzatore di impedenza e il valore della tangente dell'angolo di perdita dielettrica viene ottenuto dopo la conversione. Negli scenari ad alta frequenza (come i dispositivi a radiofrequenza 5G), il metodo di risonanza stripline viene utilizzato per testare la frequenza di risonanza e il fattore di qualità attraverso un analizzatore di rete per calcolare con precisione la perdita dielettrica nella banda di frequenza delle microonde.

Lo spettro della temperatura dielettrica riflette i cambiamenti nella costante dielettrica e perdita dielettrica con la temperatura ed è un elemento di test fondamentale per valutare la stabilità della temperatura dei substrati ceramici. Il sistema di test è costituito da un'unità di controllo della temperatura ad alta e bassa temperatura, un modulo di test dielettrico e un sistema di acquisizione dati. Il processo di test è: pretrattamento del campione (pulizia, asciugatura, eliminazione delle interferenze di umidità e impurità), preparazione degli elettrodi (evaporazione sotto vuoto di elettrodi d'argento o rivestimento di pasta conduttiva), calibrazione della temperatura (calibrazione del sensore con un campione standard), quindi fissazione della frequenza (come 10kHz, 100kHz), riscaldamento/raffreddamento a velocità costante entro l'intervallo di temperatura impostato, raccolta simultanea dei dati sulla costante dielettrica e sulla perdita dielettrica e disegno di una curva dello spettro di temperatura. Questo test può acquisire con precisione il punto di transizione di fase del materiale, il comportamento di rilassamento e la mutazione della perdita ad alta temperatura, fornendo supporto dati per l'applicazione di substrati in condizioni di un ampio intervallo di temperature.

La termospettroscopia ad impedenza analizza il meccanismo conduttivo, le caratteristiche dell'interfaccia e la distribuzione dei difetti dei substrati ceramici testando i cambiamenti nel valore e nella fase della modalità di impedenza con temperatura e frequenza. Basato sulla tecnologia dello spettro di impedenza, viene applicato un segnale CA sinusoidale, scansionato entro un intervallo di frequenza specificato e un intervallo di temperatura impostato, viene misurata l'impedenza complessa del campione (Z=Z'+iZ'') e viene tracciato uno spettro tridimensionale di impedenza-temperatura-frequenza. Attraverso l'adattamento di circuiti equivalenti, è possibile distinguere i contributi di impedenza dei grani, dei bordi dei grani e delle interfacce degli elettrodi e analizzare l'effetto della temperatura sulla migrazione dei portatori e sull'energia di attivazione dei difetti. È particolarmente adatto per valutare l'affidabilità dell'isolamento e le caratteristiche di invecchiamento dei substrati ceramici ad alte temperature.

Durante il processo di test, lo stato del campione, le condizioni ambientali e la calibrazione dell'attrezzatura sono le chiavi per garantire l'accuratezza dei dati. Il campione deve garantire che la rugosità superficiale sia ≤ Ra0,8μm e l'errore di uniformità dello spessore sia <1%; l'ambiente di prova è controllato a una temperatura di (23±2)°C e un'umidità del 50%±5% per evitare che l'adsorbimento di vapore acqueo influenzi le prestazioni dielettriche; l'apparecchiatura deve essere calibrata regolarmente con capacità e resistenza standard per eliminare errori di sistema.

In sintesi, i test sulla perdita dielettrica, sullo spettro di temperatura dielettrico e sullo spettro di temperatura di impedenza possono caratterizzare in modo completo le proprietà elettriche dei substrati ceramici dalla normale perdita di temperatura, all'ampia stabilità della temperatura fino ai meccanismi conduttivi microscopici. Procedure di test standardizzate e un supporto preciso delle apparecchiature forniscono la base scientifica per la selezione del materiale del substrato ceramico, l'ottimizzazione della formula e il miglioramento del processo, supportando lo sviluppo di dispositivi elettronici nella direzione dell'alta frequenza, della miniaturizzazione e dell'elevata affidabilità.