Исследование диэлектрических материалов для печатных плат и подложек

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ И ПОДЛОЖЕК.

Цель работы – изучение физической сущности электрических параметров диэлектриков: относительной диэлектрической проницаемости 𝜀, тангенса угла диэлектрических потерь , электрической проводимости   и их зависимостей от различных внешних факторов (температуры, частоты и амплитуды электрического поля и др.).[pic 1][pic 2]

Теоретическая часть.

Поляризация – состояние вещества, характеризуемое тем, что электрический момент единицы объема этого вещества P имеет значение, отличное от нуля.

Различают следующие основные виды поляризации: электронную, ионную (быстрые); дипольную, миграционную, доменную (замедленные или релаксационные). Различают и другие разновидности релаксационных видов поляризации: дипольно-сегментальную, ионно-релаксационные, квазидипольные и др.

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Диэлектрические потери в диэлектрике можно характеризовать рассеиваемой мощностью, которая определяется по формуле

P = U2·ωC·tgδ,

где ω – угловая частота (ω = 2πf); C – емкость диэлектрика; U – напряжение, прикладываемое к диэлектрику; tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.

Виды диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:

1) потери, обусловленные поляризацией;

2) потери, обусловленные сквозной электропроводностью;

3) ионизационные потери;

4) потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией. Из всех видов поляризации с потерями наиболее часто в диэлектриках встречаются дипольная и ионно-релаксационная.

Для выяснения природы диэлектрических потерь следует рассмотреть схему замещения для реального диэлектрика (рис. 4):

[pic 3]

Рис. 4. Параллельная схема замещения диэлектрика

частоты приложенного поля для полярных диэлектриков

Сопротивление R моделирует активные потери в материале. Схеме 4 соответствует векторная диаграмма рис. 5.

[pic 4]

Рис. 5. Векторная диаграмма для электрического конденсатора с реальным диэлектриком

 На ней изображены токи, протекающие в конденсаторе с реальным диэлектриком:

 – ток смещения (ток перезарядки обкладок конденсатора и подводящих проводов, возникающий в моменты включения, выключения поля Е, а в переменном поле присутствует всегда);[pic 5]

  – ток сквозной проводимости (омический или активный ток, возникающий благодаря наличию у диэлектрика конечной электропроводности σ).[pic 6]

В «идеальном» диэлектрике, т.е. диэлектрике без потерь, вектор тока смещения опережает вектор напряжения на 90.[pic 7]

В реальных диэлектриках фазовый угол  между вектором полного тока  и вектором U будет меньше 90 на угол , который называется углом диэлектрических потерь. Это вызвано тем, что в реальных диэлектриках протекает ток смещения, имеющий реактивную и активную составляющую, а также активный сквозной ток . На практике пользуются тангенсом угла диэлектрических потерь, который для диэлектриков имеет значение порядка  [pic 8][pic 9][pic 10][pic 11][pic 12][pic 13]

Схематическая зависимость  от частоты электрического поля для полярных диэлектриков показана на рис. 3[pic 14]

[pic 15]

Рис. 3. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости от частоты

В области низких частот, когда  собственные электрические вектора диполей, доменов и других механизмов замедленных видов поляризации успевают следовать за изменением переменного поля,  велика и по мере увеличения частоты поля  скачкообразно может уменьшаться в связи с инерционностью того или иного механизма поляризации. [pic 16][pic 17]