コンデンサとインダクタの重要な材料特性の測定

Giovanni D'Amore は、インピーダンス アナライザーと専門器具を使用して誘電体と磁性材料の両方を特性評価するアプローチについて説明します。

私たちは技術の進歩を携帯電話のモデル世代、または半導体製造プロセスノードの観点から考えることに慣れています。 これらは便利な省略表現ですが、材料科学などの実現技術の進歩に影を落としています。

ブラウン管テレビの裏蓋を外したり、古い電源を開けたことがある人なら誰でも、1 つのことを知っているでしょう。20 世紀の部品を使用して 21 世紀のエレクトロニクスを構築することはできないということです。

図1

たとえば、材料科学とナノテクノロジーの急速な進歩により、高密度で高性能のインダクタやコンデンサを構築するのに必要な特性を備えた新しい材料が生み出されました。

これらの材料を使用するデバイスを開発するには、さまざまな動作周波数と温度にわたって、誘電率や透磁率などの電気的および磁気的特性を正確に測定する必要があります。

複雑なプロパティ

誘電体材料は、コンデンサや絶縁体などの電子部品において重要な役割を果たします。 材料の誘電率は、特にセラミックの場合、その組成および/または微細構造を制御することによって調整できます。

コンポーネントの性能を予測するには、コンポーネントの開発サイクルの早い段階で新しい材料の誘電特性を測定することが重要です。

誘電材料の電気的特性は、実数成分と虚数成分の両方で構成される複素誘電率によって特徴付けられます。

誘電率の実部は誘電率とも呼ばれ、電場にさらされたときに材料がエネルギーを蓄積する能力を表します。 誘電率が高い材料は、誘電率が低い材料よりも単位体積あたりにより多くのエネルギーを蓄えることができるため、高密度のコンデンサに役立ちます。

誘電率が低い材料は、多くのエネルギーを蓄えることができないため、絶縁されたワイヤを介した信号伝播遅延が最小限に抑えられるため、信号伝送システムで有用な絶縁体となります。

複素誘電率の虚数成分は、電場にあるときに誘電体材料によって散逸されるエネルギーを表します。 これらの新しい誘電体材料を使用して構築されたコンデンサなどのデバイスが過剰なエネルギーを散逸しないように、これは慎重に管理する必要があります。

誘電特性の測定

誘電率を測定するにはさまざまな方法があります。 平行平板法では、2 つの電極の間に試験対象物質 (MUT) を置きます。 材料のインピーダンスは測定され、図 1 に示す式を使用して複素誘電率に変換されます。この式は、材料の厚さ、電極の面積および直径を参照します。

図 1 - コンデンサ ガード

このアプローチは主に低周波数での測定に使用されます。 原理は簡単ですが、特に低損失材料の場合、測定誤差により正確な測定が困難です。

複素誘電率は周波数によって変化するため、動作周波数で評価する必要があります。 高周波数では、測定システムによる誤差が増加し、測定が不正確になります。

Keysight 16451B などの誘電体テスト・フィクスチャには 3 つの電極があります。 そのうちの 2 つはコンデンサを形成し、3 つ目はガード電極を提供します。 2 つの電極間に電界が確立されると、その一部が電極間に取り付けられた MUT を越えて流れるため、ガード電極が必要です (図 2 を参照)。

このフリンジフィールドの存在は、MUT の誘電率の誤測定につながる可能性があります。 ガード電極はフリンジフィールドを流れる電流を吸収するため、測定精度が向上します。

サンプルの準備

材料の誘電特性を測定したい場合は、材料のみを測定し、他には何も測定しないことが重要です。 このため、材料サンプルが非常に平坦であることを確認し、材料サンプルと電極間の空隙を排除することが重要です。

これを実現するには 2 つの方法があります。 1 つ目は、試験対象の材料の表面に薄膜電極を適用することです。 2 つ目は、材料が存在する場合と存在しない場合で測定された電極間の静電容量を比較することにより、複素誘電率を導き出すことです。

ガード電極は、低周波数での測定精度の向上に役立ちますが、高周波数では電磁場に悪影響を与える可能性があります。 一部のテスターに​​は、この測定技術の有効周波数範囲を拡張するコンパクトな電極を備えたオプションの誘電体材料固定具が付属しています。 ソフトウェアは、フリンジ容量の影響を排除するのにも役立ちます。

フィクスチャとアナライザに起因する残留誤差は、オープン、ショート、負荷補償によって軽減できます。 一部のインピーダンス・アナライザにはこの補償機能が組み込まれており、これにより広い周波数範囲にわたって正確な測定が可能になります。

誘電体の特性が温度によってどのように変化するかを評価するには、温度制御されたチャンバーを使用する必要があり、耐熱ケーブルが必要です。 一部の分析装置には、サーマルチャンバーと耐熱ケーブルキットを制御するソフトウェアが付属しています。

磁性材料の測定

誘電体材料と同様に、フェライト材料も着実に改良されており、誘導部品や磁石、変圧器、磁界吸収器、抑制器の部品として電子機器に広く使用されています。

これらの材料の主要な特性には、主要な動作周波数での透磁率と損失が含まれます。 磁性材料の固定具を備えたインピーダンス・アナライザは、広い周波数範囲にわたって正確で再現性のある測定を提供できます。

誘電体材料と同様、磁性材料の透磁率は実数部と虚数部の両方で表される複雑な特性です。 実数項は磁束を伝導する材料の能力を表し、虚数項は材料内の損失を表します。 透磁率の大きな材料は、磁気システムのサイズと重量を削減するのに役立ちます。 磁性材料の透磁率の損失成分は、変圧器などの用途で効率を最大化するために最小化することも、シールドなどの用途で最大化することもできます。

複素透磁率は、その材料で形成されたインダクタのインピーダンスによって決まります。 ほとんどの場合、周波数によって変化するため、動作周波数で特性を評価する必要があります。 より高い周波数では、器具の寄生インピーダンスにより正確な測定が困難になります。 低損失材料の場合、位相測定の精度が不十分なことがよくありますが、インピーダンスの位相角は重要です。

透磁率は温度によっても変化するため、測定システムは広い周波数範囲にわたって温度特性を正確に評価できる必要があります。

複素透磁率は、磁性材料のインピーダンスを測定することによって導き出すことができます。 これは、材料の周りにワイヤを巻き付け、ワイヤの端に対するインピーダンスを測定することによって行われます。 結果は、ワイヤの巻き方と磁場が周囲とどのように相互作用するかによって変わる可能性があります。

図 3 – 磁性材料試験治具

磁性材料テスト フィクスチャ (図 3 を参照) は、MUT のトロイドの周りを覆う 1 回巻のインダクタを提供します。 単巻インダクタには漏れ磁束がないため、器具内の磁場は電磁理論から計算できます。

同軸フィクスチャとトロイダル MUT のシンプルな形状により、インピーダンス/マテリアル アナライザと組み合わせることで、正確な評価と 1kHz から 1GHz までの広い周波数カバレッジの両方が可能になります。

測定システムに起因する誤差は、測定前に除去できます。 インピーダンスアナライザによる誤差は、3項誤差補正により校正できます。 より高い周波数では、低損失コンデンサのキャリブレーションによって位相角精度を向上させることができます。

フィクスチャは別の誤差の原因となる可能性がありますが、MUT を設置せずにフィクスチャを測定することで、フィクスチャ内の残留インダクタンスを補償できます。

誘電体測定と同様に、磁性材料の温度特性を評価するには、恒温槽と耐熱ケーブルが必要です。

より優れた携帯電話、より高度な運転支援システム、より高速なラップトップはすべて、幅広いテクノロジーの継続的な進歩に依存しています。 私たちは半導体プロセスノードの進歩を測定するかもしれませんが、これらの新しいプロセスの実行を可能にするために、あらゆる範囲のサポート技術が急速に開発されています。

材料科学とナノテクノロジーの最近の進歩により、以前よりもはるかに優れた誘電特性と磁気特性を備えた材料を製造できるようになりました。 ただし、これらの進歩を測定することは、特に材料とそれが取り付けられている治具との間の望ましくない相互作用のため、複雑なプロセスです。

よく考え抜かれた機器と治具は、これらの問題の多くを克服し、これらの分野に関する特別な専門知識を持たないユーザーでも、信頼性が高く、再現性があり、効率的な誘電体および磁性材料の特性測定を実現します。 その結果、エレクトロニクスエコシステム全体に先進材料がより迅速に導入されるはずです。

Giovanni D'Amore 氏、Keysight Technologies、マーケティング ブランド マネージャー