（免費下載）GB/T 5594．4-2015 電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料 性能測試方法 第4部分：介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值測試方法
1 范圍
1 范圍
GB/T 5594的本部分規(guī)定了裝置零件、真空電子器件、電阻基體、半導(dǎo)體及集成電路基片等用電子陶瓷材料介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值的測試方法。
本部分適用于裝置零件、真空電子器件、電阻基體、半導(dǎo)體及集成電路基片等用電子陶瓷材料在頻率為1MHz，溫度從室溫至500℃條件下的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值的測試。
2 規(guī)范性引用文件
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GB/T 5593-2015 電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料
GB/T 9530-1988 電子陶瓷名詞術(shù)語
3 術(shù)語和定義
3.1 介電常數(shù) permittivity
ε
反應(yīng)電介質(zhì)介電性質(zhì)的一個主要參數(shù)，由電介質(zhì)構(gòu)成的電容器的電容量與同樣幾何尺寸真空電容器電容量的比值稱為介電常數(shù)ε(無量綱)。
3.2 介質(zhì)損耗角正切值 dielectric loss angle tangent value
tanδ
電介質(zhì)在交變電場作用下有功功率與無功功率的比值，是表征介質(zhì)損耗的一個無量綱物理量。
4 測試原理
4.1 介質(zhì)損耗的表示含義
陶瓷材料的介質(zhì)損耗表示材料上通過交流電場時，產(chǎn)生電能損失的一種性質(zhì)。也可以說材料接受交流電場影響時，因極化或吸收現(xiàn)象的產(chǎn)生過程，所產(chǎn)生的一種電能損失。它有兩種基本性質(zhì)，即介電常數(shù)ε和介質(zhì)損耗角正切值tanδ。
4.2 介電常數(shù)
ε為相對介電常數(shù)，是表示絕緣材料在交流電場下介質(zhì)極化的程度的一個參數(shù)，它是充滿絕緣材料的電容器的電容量Cx與同樣電極尺寸以真空為介質(zhì)時的電容器的電容量C0的比值，如式(1)所示：
根據(jù)陶瓷試樣的形狀、尺寸和測得的電容值來計算介電常數(shù)ε。如不計邊緣效應(yīng)，平板圓形試樣，測得電容值為Cx，試樣直徑為D，試樣厚度為h。經(jīng)過換算得到式(2)：
式中：
ε——介電常數(shù)；
h——試樣厚度，單位為厘米(cm)；
Cx——試樣電容值，單位為皮法(pF)；
D——試樣直徑，單位為厘米(cm)。
4.3 介質(zhì)損耗角正切值tanδ
陶瓷材料的介質(zhì)損耗角正切值tanδ是表示在某一頻率交流電壓作用下介質(zhì)損耗的參數(shù)。所謂介質(zhì)損耗即是單位時間內(nèi)消耗的電能。
由陶瓷材料制成的元器件，當(dāng)它工作時，交變電壓加在陶瓷介質(zhì)上，并通過交變電流，這時陶瓷介質(zhì)連同與其聯(lián)系的金屬部分，可以看成有損耗的電容器，并可用一個理想電容器和一個純電阻器并聯(lián)或串聯(lián)的電路來等效，如圖1所示。電壓和電流的相位關(guān)系可用圖2表示。
說明：
IC——并聯(lián)等效電路流經(jīng)理想電容器電流；
IR——并聯(lián)等效電路流經(jīng)理想純電阻器電流；
UC——串聯(lián)等效電路施加在理想電容器電壓；
UR——串聯(lián)等效電路施加在純電阻器電壓；
U——有損耗電容器上施加電壓。
圖1 有損耗電容器的等效電路
由圖可知，δ可以描述為：有損耗電容器電流和電壓之間相位差與理想電容器（無損耗電容器）電流和電壓之間相位差(π/2)比較時，相差的角度。
由圖2a)得到：
由圖2b)得到：
最后tanδ的意義可歸結(jié)為有功功率與無功功率之商。
介質(zhì)損耗角正切值tanδ的計算，根據(jù)不同儀器，由儀器說明書中規(guī)定公式進(jìn)行計算或直接讀數(shù)。
5 試樣要求及處理
5 試樣要求及處理
試樣應(yīng)符合GB/T 5593-2015的規(guī)定。試樣數(shù)量為5個，直徑為(35±1)mm，厚度為(1.5±0.5)mm；試樣應(yīng)進(jìn)行清洗干燥處理；試樣兩面進(jìn)行“被銀”處理。
6 測量儀器和設(shè)備
6.1 測量儀器
可利用諧振電路、平衡或不平衡電橋、Q表、LCR儀、損耗儀、阻抗分析儀等。
6.2 加熱爐和夾具
加熱爐內(nèi)溫度應(yīng)均勻?？捎米詣踊蚴謩臃绞竭M(jìn)行控溫，控溫范圍為室溫至500℃。在控溫范圍內(nèi)任一個溫度值，在10min內(nèi)溫度波動不大于±2℃。
試樣平放在平板夾具上面，即電極7。如圖3所示。
說明：
1——電極連接線； 6——保溫層；
2——熱電偶； 7——電極；
3——屏蔽盒； 8——試樣；
4——加熱絲； 9——爐體。
5——石英管；
圖3 加熱爐、試樣與夾具示意圖
6.3 連接線
連接線要盡量短，最好小于25cm，連接線為鍍銀銅片，寬10mm，厚0.6mm。連接線也可用屏蔽線。連接線長時要用1m補償線。
7 測量方法
7 測量方法
可采用直接測量法和替代法兩種。當(dāng)采用直接測量法時，應(yīng)消除連接線和試樣夾具等分布參數(shù)的影響。
測量電路的分布參數(shù)可用圖4表示，圖中LS、RS為與試樣串聯(lián)的連接線、夾具等的等效電感及電阻，CP、RP為與試樣并聯(lián)的連接線、夾具等的等效電容及電阻。當(dāng)LS、RS很小，且可忽略時，或當(dāng)CP＜CX，RP＞RX時，試樣的介質(zhì)損耗角正切值可用式(3)修正：
式中：
tanδx——介質(zhì)損耗角正切值修正值；
tanδ0——接入試樣前測量儀器損耗角正切值讀數(shù)，即連接線、夾具等測量系統(tǒng)的損耗角正切值；
tanδ——接入試樣后測量儀器的損耗角正切值讀數(shù)；
C0——接入試樣前測量儀器的電容讀數(shù)，即連接線、夾具等測量系統(tǒng)的分布電容，單位為皮法(pF)；
CX——試樣電容，單位為皮法(pF)。
說明：
LS——連接線、夾具和試樣串聯(lián)等效電路電感；
RS——連接線、夾具和試樣串聯(lián)等效電路電阻；
RP——連接線、夾具和試樣并聯(lián)等效電路電阻；
CP——連接線、夾具和試樣并聯(lián)等效電路電容；
CX——試樣電容；
RX——試樣有損耗的等效電阻。
圖4 連接線、夾具和試樣的等效電路
8 測量步驟
8 測量步驟
測量步驟如下：
a) 按圖5連接測量儀器和放置被測試樣；
b) 控制加熱爐升溫至所需溫度，保溫10min。夾具中不放置試樣時，測出C0、tanδ0；
c) 將準(zhǔn)備好的試樣放置測量夾具中，在同一溫度下保溫10min，測出C、tanδ；
d) 按所用儀器相應(yīng)的公式計算試樣的介電常數(shù)ε和損耗角正切值tanδ。
由式(2)計算介電常數(shù)。按所用儀器相應(yīng)的公式計算出或讀出損耗角正切值tanδ。
說明：
A——測量儀器；
B——控溫加熱爐；
C——夾具和試樣。
圖5 測量設(shè)備連接示意圖
9 測量誤差
9 測量誤差
測量誤差的描述：
當(dāng)采用上述原理、方法和步驟進(jìn)行測量時，由連接線和夾具引入的誤差很小，可以忽略。測量的總誤差取決于所選用的測量儀器。測試儀器保證頻率1MHz±0.3MHz測試電壓不大于5V。
應(yīng)該指出，目前采用LCR測試儀、容量測試儀和阻抗分析儀直接測量的方法比較普遍，可以保證精度高、穩(wěn)定性好、連接可靠、操作簡單等。
