Байлибо Испытательно-технический анализ испытаний относительной диэлектрической проницаемости керамических подложек

В области современной электронной упаковки и высокочастотной связи керамические подложки (такие как оксид алюминия, нитрид алюминия, нитрид кремния и т. д.) играют ключевую роль в механической поддержке и электрическом соединении. Относительная диэлектрическая проницаемость (εr) как основная физическая величина, характеризующая степень поляризации и энергоемкость материала под действием электрического поля, напрямую определяет скорость передачи и характеристическое сопротивление сигналов в подложке. Точное тестирование этого параметра имеет фундаментальное значение для проектирования высокочастотных схем, а также исследований и разработок материалов.

Физическая основа испытания

Относительная диэлектрическая проницаемость обычно определяется как: отношение емкости конденсатора, использующего испытуемый материал в качестве среды, к емкости конденсатора того же размера, использующего в качестве среды вакуум. Эта безразмерная константа отражает способность материала связывать заряды в переменном электрическом поле. В реальных условиях испытаний диэлектрическая проницаемость часто появляется вместе со значением тангенса угла диэлектрических потерь (tanδ), которое характеризует характеристики рассеяния энергии материалом в переменном электрическом поле.

Метод испытания сердцевины

Для испытаний керамических подложек в отрасли в основном применяются следующие стандартизированные принципы тестирования, основанные на различных диапазонах частот и формах образцов:

1. Метод измерения емкости параллельных пластин

Это самый простой метод тестирования в низкочастотном диапазоне (обычно от 1 МГц до нескольких МГц), а также национальный стандарт GB/T. Часто используемые технические маршруты в 5594.4-2015. Его принцип основан на формуле емкости параллельных пластин: испытуемая керамическая подложка рассматривается как диэлектрик и помещается между двумя металлическими электродами, образуя пластинчатый конденсатор. Измерьте емкость (Cx) конденсатора с помощью прецизионного измерителя LCR. В предположении, что эффективная площадь электрода (S) и толщина образца (d) известны, диэлектрическую проницаемость рассчитывают, подставив ее в формулу.

Однако этот метод имеет ограничение низкой точности измерения для тонких подложек в реальной эксплуатации и подвержен помехам из-за плохого контакта электродов или воздушных зазоров на поверхности. Чтобы исключить влияние паразитной емкости, для высокоточных измерений обычно используется трехэлектродный метод вместо простого двухэлектродного метода.

2. Метод резонансного резонатора

Когда рабочая частота повышается до микроволнового диапазона (ГГц), метод параллельных пластин затрудняет обеспечение точности из-за значительных краевых эффектов и увеличения потерь излучения. В настоящее время метод резонансной полости стал основным выбором для высокочастотных испытаний. Принцип заключается в размещении керамической подложки в зоне индукции электромагнитного поля резонансной полости. Вмешательство керамики приведет к нарушению резонансной частоты и добротности (значения добротности) резонатора. Измеряя отклонение частоты и изменения значения добротности, можно определить относительную диэлектрическую проницаемость материала в сочетании с электромагнитной моделью. Этот метод очень чувствителен к анизотропии тонкой подложки и может одновременно предоставлять данные о диэлектрической проницаемости и потерях на высоких частотах со значительно большей точностью, чем метод низкочастотной экстраполяции.

3. Метод линии передачи

Этот метод в основном используется для проектирования микроволновых схем. Создавая специальную микрополосковую линию или копланарную волноводную структуру, измеряют фазовую задержку или характеристический импеданс линии передачи, тем самым вычисляя эффективную диэлектрическую проницаемость подложки. Поскольку структура испытаний полностью соответствует реальному применению схемы, расчетное значение этого метода часто выше, чем у простого испытания емкости пластины.

Проверка относительной диэлектрической проницаемости керамических подложек — это не простое считывание одного значения, а систематический проект, включающий взаимодействие нескольких физических полей (электричества, тепла, силы). От прецизионных низкочастотных измерений на основе национальных стандартов в лаборатории до высокотемпературного анализа широкого спектра, имитирующего реальные рабочие условия, каждый метод тестирования служит определенному этапу исследований и разработок и контроля качества. Только выбрав подходящие методы испытаний и строгие процедуры испытаний, мы можем получить диэлектрические данные, которые действительно отражают внутренние свойства материалов и имеют инженерную ценность.