Диэлектрическая проницаемость современных керамик

Сайт диэлектрическая проницаемостьтакже известный как относительная проницаемость (εr)Это показатель того, насколько хорошо материал может сохранять электрическую энергию в электрическом поле. Она представляет собой отношение диэлектрической проницаемости материала к диэлектрической проницаемости вакуума (ε₀). Более высокая диэлектрическая проницаемость подразумевает большую способность накапливать заряд, что очень важно для конденсаторов, изоляторов и высокочастотных электронных компонентов.

Передовые керамические материалы широко используются в высокочастотных, мощных, микроволновых, радарных и упаковочных областях благодаря своим различным диэлектрическим свойствам. При выборе компании должны оценить оптимальную комбинацию материалов, основываясь на комплексных факторах, таких как рабочая частота, терморегулирование, механическая структура и точность размеров.

Передовая керамика - Электрические свойства - Диэлектрическая проницаемость

Значение диэлектрической проницаемости в керамике

Керамические материалы широко используются в электронике и электроизоляции благодаря своим свойствам:

  • Высокая диэлектрическая прочность
  • Стабильные тепловые и электрические характеристики
  • Низкие диэлектрические потери
  • Устойчивость к коррозии и разрушению окружающей среды

Диэлектрическая проницаемость играет ключевую роль в ВЧ-компоненты, подложки, конденсаторы, антенны, и полупроводниковая упаковка. Выбор правильного керамического материала с подходящей диэлектрической проницаемостью обеспечивает оптимальную работу, особенно в высокочастотных и высокотемпературных средах.

Факторы, влияющие на диэлектрическую проницаемость керамики

  • Кристаллическая структура: Материалы с полярной структурой обычно имеют более высокий εr.
  • Температура: Диэлектрические постоянные могут увеличиваться или уменьшаться с температурой в зависимости от типа материала.
  • Частота: На высоких частотах εr часто уменьшается из-за уменьшения дипольной поляризации.
  • Пористость: Более высокая пористость снижает εr из-за присутствия воздуха (εr ≈ 1).
  • Размер и плотность зерен: Более мелкие зерна и высокая плотность обычно улучшают консистенцию.

Диэлектрические потери и стабильность частоты

В то время как εr определяет способность к накоплению заряда, диэлектрические потери (тангенс δ) измеряет рассеивание энергии. Такие материалы, как PTFE или h-BN, имеют очень низкий тангенс δчто делает их пригодными для использования в высокочастотных радиочастотных конструкциях.

Еще одним фактором является зависимость от частоты. Некоторые керамики, такие как диоксид циркония, имеют более высокие диэлектрические постоянные, но демонстрируют большие потери и нестабильность в гигагерцовом диапазоне, в то время как AlN и Si₃N₄ остаются более стабильными.

Диэлектрические постоянные распространенных керамических материалов

Керамический материал Диэлектрическая постоянная (εr) Характеристики
Глинозем (Al₂O₃) 9-10 Низкие потери, стабильная структура, экономичность
Цирконий (ZrO₂)  18-25 Высокая прочность, высокое тепловое расширение
ZTA20 (циркониевый упрочненный глинозем) 12-15 Сочетает в себе прочность и диэлектрические свойства
Нитрид кремния (Si₃N₄) 7-8 Высокая прочность, низкие диэлектрические потери
Нитрид алюминия (AlN)  8.5-9 Высокая теплопроводность, низкие диэлектрические потери
Карбид кремния (SiC)  9.7-10.2 Превосходная высокочастотная стабильность
Оксид бериллия (BeO) 6.5-7.5 Высокая теплопроводность, низкий εr
Гексагональный нитрид бора (h-BN) ~4 Очень низкий εr, отличная термическая стабильность
MGC (обрабатываемая стеклокерамика) 5.6 Возможность обработки на ЧПУ, идеально подходит для микроволновых структур

*Данные приведены только для справки.

Руководство по выбору материалов: Выбор керамики на основе диэлектрической проницаемости

Направление применения Рекомендуемые материалы Причина
Высокочастотные/низкочастотные AlN, BeO, h-BN Низкий εr + низкие потери + высокая теплопроводность
Упаковка/охлаждение питания AlN, Al₂O₃ Умеренный εr + отличный теплоотвод
Крышка купола/антенны радара МГК, БеО Хорошая обрабатываемость + низкий εr
Высокочастотные конденсаторы ZrO₂, ZTA Высокая εr + хорошая механическая прочность
Микроволновые структуры MGC Простота обработки + стабильные диэлектрические характеристики

Нужна помощь в выборе подходящей керамики?

Понимание диэлектрических свойств передовой керамики имеет решающее значение для выбора правильных материалов для использования в электрических и электронных приложениях. Будь то радиочастотные компоненты, силовая электроника или системы терморегулирования, наши материалы обеспечивают лучшие в отрасли характеристики, долговечность и точность.

Компания Great Ceramic предлагает прецизионные решения по обработке керамики и проектированию компонентов в соответствии с вашими требованиями к материалу и диэлектрическим характеристикам.

Диэлектрическая проницаемость: керамика и другие материалы

Чтобы помочь вам понять преимущества керамической диэлектрической проницаемости при выборе материала, на следующей диаграмме приведено сравнение керамических материалов с обычными изоляционными материалами, материалами для электронной промышленности и полимерными пластиками:

*Данные приведены только для справки.

Области применения на основе керамической диэлектрической проницаемости

  • Применение: ВЧ-антенны, подложки для усилителей мощности, фильтры
  • Ключевые преимущества: AlN обладает умеренной диэлектрической проницаемостью (~9) и сверхвысокой теплопроводностью (170-200 Вт/м-К), что уменьшает задержку сигнала и тепловое накопление.
  • Пример из практики: Поставщик базовых станций 5G использовал AlN вместо алюминиевых подложек, что позволило улучшить терморегулирование усилителя на 30% и значительно повысить стабильность сигнала.
  • Применение: Спутниковые радарные системы, микроволновые резонаторы, антенные окна
  • Ключевые преимущества: BeO обладает низким εr (6,5-7,5) и чрезвычайно высокой теплопроводностью (330 Вт/м-К), что минимизирует потери микроволнового сигнала и улучшает его передачу.
  • Пример из практики: Производитель спутников использовал BeO для микроволновых окон, уменьшив их размер на 20% по сравнению с кварцем и увеличив при этом чувствительность сигнала.
  • Применение: Упаковка ИС, силовые модули, подложки для светодиодов
  • Ключевые преимущества: Глинозем обеспечивает хорошую изоляцию (диэлектрическая прочность >15 кВ/мм) и стабильную диэлектрическую проницаемость (~9,8), что подходит для упаковки высокой плотности.
  • Пример из практики: Компания по производству силовых полупроводников внедрила керамические подложки из глинозема 96% в модули MOSFET, улучшив изоляцию и сохранив отличную теплопроводность.
  • Применение: Радарные структуры, микроволновые фотонные устройства, соединители сигналов
  • Ключевые преимущества: Стабильный εr (~5,6), легко обрабатывается на станках с ЧПУ, подходит для сложных ВЧ/микроволновых конструкций.
  • Пример из практики: Компания, специализирующаяся на оборонной связи, использовала MGC для изготовления структур СВЧ-питания. По сравнению с кварцем время обработки сократилось на 30%, а размерная стабильность улучшилась.
  • Применение: Высоковольтные конденсаторы, плазменные устройства, устройства согласования импеданса
  • Ключевые преимущества: Высокая диэлектрическая проницаемость (18-25), идеально подходит для приложений, требующих высокой плотности энергии.
  • Пример из практики: Производитель плазменного оборудования использовал ZrO₂ в качестве диэлектрического слоя для конденсатора плазменного поля, что позволило создать более компактные конструкции с тем же запасом энергии.

Популярные передовые керамические материалы

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Благодаря различным кристаллическим структурам, плотности и электронным конфигурациям. Некоторые из них рассчитаны на высокий εr, в то время как для других приоритетом является изоляция.

Не обязательно. Для высокочастотных или высокоскоростных приложений, низкий εr и тангенс с малыми потерями часто более желательны.

Нитрид алюминия (AlN) и Оксид бериллия (BeO) оба обладают отличной теплопроводностью и умеренным εr.

К распространенным методам относятся:

  • Метод резонансной полости

  • Импедансный анализ

  • Измерение емкости с помощью установки с параллельными пластинами

Как правило, между 4-10 считается подходящим для высокочастотных подложек, с высокие значения (>20) используется в конденсаторах.

Цирконий и Титанат бария (не включены в таблицу) могут иметь очень высокие диэлектрические постоянные, более 1000 в последнем случае.

Керамика более стабильна при изменении температуры, есть лучшая устойчивость к старению, и повышенная теплопроводностьБлагодаря этому они идеально подходят для суровые условия.

Алюмооксидная керамика имеет диэлектрическую проницаемость около 9-10Это делает их универсальными и широко используемыми в электронике.