介電常數

介電常數

介質在外加電場時會產生感應電荷而削弱電場,介質中電場與原外加電場(真空中)的比值即為相對介電常數(permittivity, 不規範稱 dielectric constant),又稱誘電率,與頻率相關。介電常數是相對介電常數與真空中絕對介電常數乘積。如果有高介電常數的材料放在電場中,電場的強度會在電介質內有可觀的下降,理想導體內部由于靜電禁止場強總為零,故其介電常數為無窮。

介電常數(又稱電容率),以ε表示,ε=εr*ε0,ε0為真空絕對介電常數,ε0=8.85*10^(-12)F/m。需要強調的是,一種材料的介電常數值與測試的頻率密切相關。

一個電容板中充入介電常數為ε的物質後電容變大εr倍。電介質有使空間比起實際尺寸變得更大或更小的屬性。例如,當一個電介質材料放在兩個電荷之間,它會減少作用在它們之間的力,就像它們被移遠了一樣。

電磁波穿過電介質,波的速度被減小,有更短的波長。

根據物質的介電常數可以判別高分子材料的極性大小。通常,介電常數大于3.6的物質為極性物質;介電常數在2.8~3.6範圍內的物質為弱極性物質;介電常數小于2.8為非極性物質。

  • 中文名稱
    介電常數
  • 外文名稱
    dielectric constanttant
  • 單位
    無量綱

測量方法

相對介電常數εr可以用靜電場用如下方式測量:首先在兩塊極板之間為真空的時候測試電容器的電容C0。然後,用同樣的電容極板間距離但在極板間加入電介質後測得電容Cx。然後相對介電常數可以用下式計算

εr=Cx/C0

標準大氣壓下,不含二氧化碳的幹燥空氣的相對電容率εr=1.00053.因此,用這種電極構形在空氣中的電容Ca來代替C0來測量相對電容率εr時,也有足夠的準確度。(參考GB/T 1409-2006)

對于時變電磁場,物質的介電常數和頻率相關,通常稱為介電系數。

常見溶劑

附常見溶劑的介電常數,條件為室溫下,測試頻率為1KHz。H2O (水) 78.5

HCOOH (甲酸) 58.5

HCON(CH3)2 (N,N-二甲基甲酰胺)36.7

CH3OH (甲醇) 32.7

C2H5OH (乙醇) 24.5

CH3COCH3 (丙酮) 20.7

n-C6H13OH (正己醇)13.3

CH3COOH (乙酸或醋酸) 6.15C6H6 () 2.28

CCl4 (四氯化碳) 2.24

n-C6H14 (正己烷)1.88

電介質

氣體

溫度(℃)

相對介電常數

液體

溫度(℃)

相對介電常數

水蒸汽

氣態溴

氣態汞

空氣

硫化氫

真空

乙醚

液態二氧化碳

甲醇

乙醇

液態氨

液態氦

液態氫

液態氧

液態氮

液態氯

煤油

松節油

油漆

甘油

140~150

180

0

0

0

0

0

400

0

0

20

0

20

20

16.3

14

-270.8

-253

-182

-185

0

20

20

1.00785

1.0128

1.000074

1.00026

1.00051

1.00058

1.00056

1.00074

1.000585

1.004

1

4.335

1.585

33.7

25.7

81.5

16.2

1.058

1.22

1.465

2.28

1.9

2~4

2.2

2.283

3.5

45.8

固體氨固體醋酸

石臘

聚苯乙烯

無線電瓷

超高頻瓷

二氧化鋇

橡膠

硬橡膠

幹砂

15%水濕砂(金剛石)

木頭

琥珀

蟲膠(紫膠)

賽璐珞

玻璃

黃磷

雲母

花崗石

大理石

食鹽

氧化鈹

-902

-5

20

16

4.01~4.1

2.0~2.1

2.4~2.6

6~6.5

7~8.5

106

2~3

4.3

2.5

2.5

約2~8

2.8

2.8

3~4

3.3

4~11

4.1

4.2

5.5~16.5

6~8

7~9

8.3

6.2

7.5

9

相關解釋

"介電常數" 在工具書中的解釋:

1.又稱電容率或相對電容率,表征電介質或絕緣材料電性能的一個重要資料,常用ε表示。它是指在同一電容器中用同一物質為電介質和真空時的電容的比值,表示電介質在電場中貯存靜電能的相對能力。對于介電材料,相對介電常數愈小絕緣性愈好。空氣和CS2的ε值分別為1.0006和2.6左右,而水的ε值特別大,10℃時為 83.83,與溫度有關。

2.介電常數是物質相對于真空來說增加電容器電容能力的度量。介電常數隨分子偶極矩可極化性的增大而增大。在化學中,介電常數是溶劑的一個重要性質,它表征溶劑對溶質分子溶劑化以及隔開離子的能力。介電常數大的溶劑,有較大隔開離子的能力,同時也具有較強的溶劑化能力。介電常數用ε表示,一些常用溶劑的介電常數見下表:

"介電常數" 在學術文獻中的解釋:

1.介電常數是指物質保持電荷的能力,損耗因數是指由于物質的分散程度使能量損失的大小。理想的物質的兩項參數值較小

文獻來源2.其介質常數具有復數形式,實數部分稱為介電常數,虛數部分稱為損耗因子.通常用損耗正切值(損耗因子與介電常數之比)來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

介電常數與頻率變化的關系介電常數與頻率變化的關系

3.介電常數是指在同一電容器中用某一物質為電介質與該物質在真空中的電容的比值.在高頻線路中信號傳播速度的公式如下:V=K

4.為簡單起見,後面將相對介電常數均稱為介電常數.反射脈沖信號的強度,與介面的波反射系數和透射波衰減系數有關,主要取決于周圍介質與反射體的電導率和介電常數。

套用

近十年來,半導體工業界對低介電常數材料的研究日益增多,材料的種類也五花八門。然而這些低介電常數材料能夠在積體電路生產工藝中套用的速度卻遠沒有人們想象的那麽快。其主要原因是許多低介電常數材料並不能滿足積體電路工藝套用的要求。圖2是不同時期半導體工業界預計低介電常數材料在積體電路工藝中套用的前景預測。

低介電常數薄膜機械性質量測結果低介電常數薄膜機械性質量測結果

早在1997年,人們就認為在2003年,積體電路工藝中將使用的絕緣材料的介電常數(k值)將達到1.5。然而隨著時間的推移,這種樂觀的估計被不斷更新。到2003年,國際半導體技術規劃(ITRS 2003[7])給出低介電常數材料在積體電路未來幾年的套用,其介電常數範圍已經變成2.7~3.1。

造成人們的預計與現實如此大差異的原因是,在積體電路工藝中,低介電常數材料必須滿足諸多條件,例如:足夠的機械強度(MECHANICAL strength)以支撐多層連線的架構、高楊氏系數(Young's modulus)、高擊穿電壓(breakdown voltage>4MV/cm)、低漏電(leakage current<10-9 at 1MV/cm)、高熱穩定性(thermal stability >450oC)、良好的粘合強度(adhesion strength)、低吸水性(low moisture uptake)、低薄膜應力(low film stress)、高平坦化能力(planarization)、低熱漲系數(coefficient of thermal expansion)以及與化學機械拋光工藝的兼容性(compatibility with CMP process)等等。能夠滿足上述特徵的完美的低介電常數材料並不容易獲得。例如,薄膜的介電常數與熱傳導系數往往就呈反比關系。因此,低介電常數材料本身的特徵就直接影響到工藝集成的難易度。

目前在超大規模積體電路製造商中,TSMC、 Motorola、AMD以及NEC等許多公司為了開發90nm及其以下技術的研究,先後選用了套用材料公司(Applied Materials)的Black Diamond 作為低介電常數材料。該材料採用PE-CVD技術[8] ,與現有積體電路生產工藝完全融合,並且引入BLOk薄膜作為低介電常數材料與金屬間的隔離層,很好的解決了上述提及的諸多問題,是目前已經用于積體電路商業化生產為數不多的低介電常數材料之一。

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