Messung kritischer Materialeigenschaften von Kondensatoren und Induktivitäten

Giovanni D'Amore diskutiert Ansätze zur Charakterisierung dielektrischer und magnetischer Materialien mithilfe von Impedanzanalysatoren und Spezialvorrichtungen.

Wir sind es gewohnt, über technologischen Fortschritt in Bezug auf Generationen von Mobiltelefonmodellen oder Prozessknoten der Halbleiterherstellung nachzudenken. Diese stellen eine nützliche Abkürzung dar, überschatten jedoch den Fortschritt bei Schlüsseltechnologien, beispielsweise in der Materialwissenschaft.

Jeder, der schon einmal die Rückseite eines Röhrenfernsehers abgenommen oder ein altes Netzteil geöffnet hat, weiß eines: Mit Komponenten des 20. Jahrhunderts kann man keine Elektronik des 21. Jahrhunderts bauen.

Abbildung 1

Durch den rasanten Fortschritt in der Materialwissenschaft und der Nanotechnologie sind beispielsweise neue Materialien entstanden, die über die Eigenschaften verfügen, die für den Bau dichter, leistungsstarker Induktivitäten und Kondensatoren erforderlich sind.

Die Entwicklung von Geräten, die diese Materialien verwenden, erfordert eine genaue Messung elektrischer und magnetischer Eigenschaften wie Permittivität und Permeabilität über einen Bereich von Betriebsfrequenzen und Temperaturen hinweg.

Komplexe Eigenschaften

Dielektrische Materialien spielen in elektronischen Bauteilen wie Kondensatoren und Isolatoren eine Schlüsselrolle. Die Dielektrizitätskonstante eines Materials kann durch Steuerung seiner Zusammensetzung und/oder Mikrostruktur angepasst werden, insbesondere bei Keramik.

Es ist wichtig, die dielektrischen Eigenschaften eines neuen Materials frühzeitig im Entwicklungszyklus einer Komponente zu messen, um dessen Leistung vorherzusagen.

Die elektrischen Eigenschaften eines dielektrischen Materials werden durch seine komplexe Permittivität charakterisiert, die sich aus realen und imaginären Komponenten zusammensetzt.

Der Realteil der Permittivität, auch Dielektrizitätskonstante genannt, gibt die Fähigkeit des Materials an, Energie zu speichern, wenn es einem elektrischen Feld ausgesetzt ist. Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante können mehr Energie pro Volumeneinheit speichern als solche mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante, was sie für dichte Kondensatoren nützlich macht.

Materialien mit niedrigeren Dielektrizitätskonstanten sind nützliche Isolatoren in Signalübertragungssystemen, gerade weil ihre Unfähigkeit, viel Energie zu speichern, die Signalausbreitungsverzögerung durch alle von ihnen isolierten Drähte minimiert.

Die imaginäre Komponente der komplexen Permittivität stellt die Energie dar, die ein dielektrisches Material abgibt, wenn es sich in einem elektrischen Feld befindet. Dies muss sorgfältig gehandhabt werden, um zu verhindern, dass Geräte wie Kondensatoren, die aus diesen neuen dielektrischen Materialien hergestellt werden, zu viel Energie verbrauchen.

Messung dielektrischer Eigenschaften

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Dielektrizitätskonstante zu messen. Bei der Parallelplattenmethode wird das zu testende Material (MUT) zwischen zwei Elektroden gebracht. Die Impedanz des Materials wird gemessen und mithilfe der in Abbildung 1 gezeigten Gleichungen, die sich auf seine Dicke sowie die Fläche und den Durchmesser der Elektroden beziehen, in die komplexe Permittivität umgewandelt.

Abbildung 1 – Kondensatorschutz

Dieser Ansatz wird hauptsächlich für Messungen bei niedrigen Frequenzen verwendet. Während das Prinzip einfach ist, sind präzise Messungen aufgrund der Messfehler, insbesondere bei verlustarmen Materialien, schwierig.

Die komplexe Permittivität variiert mit der Frequenz und sollte daher bei der Betriebsfrequenz bewertet werden. Bei hohen Frequenzen nehmen die messsystembedingten Fehler zu, wodurch die Messung ungenau wird.

Ein Prüfgerät für dielektrische Materialien wie das Keysight 16451B verfügt über drei Elektroden. Zwei davon bilden einen Kondensator und der dritte dient als Schutzelektrode. Die Schutzelektrode ist notwendig, denn wenn zwischen zwei Elektroden ein elektrisches Feld aufgebaut wird, fließt ein Teil davon über den zwischen ihnen montierten MUT hinaus (siehe Abbildung 2).

Das Vorhandensein dieses Randfeldes kann zu einer Fehlmessung der Dielektrizitätskonstante des MUT führen. Die Schutzelektrode absorbiert den durch das Randfeld fließenden Strom und verbessert so die Messgenauigkeit.

Vorbereiten einer Probe

Wenn Sie die dielektrischen Eigenschaften eines Materials messen möchten, ist es wichtig, dass Sie nur das Material und nichts anderes messen. Aus diesem Grund ist es wichtig, darauf zu achten, dass die Materialprobe sehr flach ist, um einen Luftspalt zwischen ihr und den Elektroden zu vermeiden.

Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu erreichen. Die erste besteht darin, Dünnschichtelektroden auf der Oberfläche des zu prüfenden Materials anzubringen. Die zweite besteht darin, die komplexe Permittivität durch Vergleich der Kapazitäten zwischen den Elektroden abzuleiten, gemessen mit und ohne vorhandenes Material.

Eine Schutzelektrode trägt zur Verbesserung der Messgenauigkeit bei niedrigen Frequenzen bei, bei höheren Frequenzen kann sie sich jedoch ungünstig auf das elektromagnetische Feld auswirken. Einige Tester werden optional mit einer Halterung aus dielektrischem Material angeboten, die über kompakte Elektroden verfügt, die den nützlichen Frequenzbereich dieser Messtechnik erweitern. Software kann auch dabei helfen, den Effekt von Randkapazitäten zu beseitigen.

Restfehler aufgrund der Vorrichtung und des Analysators können durch Unterbrechungs-, Kurzschluss- und Lastkompensation reduziert werden. Einige Impedanzanalysatoren verfügen über eine integrierte Kompensationsfunktion, die genaue Messungen über einen weiten Frequenzbereich ermöglicht.

Um zu beurteilen, wie sich die Eigenschaften eines dielektrischen Materials mit der Temperatur ändern, ist der Einsatz einer temperaturgeregelten Kammer und hitzebeständiger Kabel erforderlich. Einige Analysegeräte werden mit Software zur Steuerung einer Wärmekammer und hitzebeständigen Kabelsätzen angeboten.

Messung magnetischer Materialien

Wie dielektrische Materialien werden auch Ferritmaterialien ständig verbessert und werden häufig in elektronischen Geräten als induktive Komponenten und Magnete sowie als Teile von Transformatoren, Magnetfeldabsorbern und -unterdrückern verwendet.

Zu den wichtigsten Eigenschaften dieser Materialien gehören ihre Permeabilität und ihre Verluste bei den wichtigsten Betriebsfrequenzen. Impedanzanalysatoren mit Halterungen aus magnetischem Material können präzise und wiederholbare Messungen über einen weiten Frequenzbereich liefern.

Wie bei dielektrischen Materialien ist die Permeabilität eines magnetischen Materials eine komplexe Eigenschaft, die sowohl im Real- als auch im Imaginärteil ausgedrückt wird. Der reale Begriff stellt die Fähigkeit eines Materials dar, magnetischen Fluss zu leiten, und der imaginäre Begriff stellt die Verluste im Material dar. Materialien mit einer großen Permeabilität sind nützlich, um die Größe und das Gewicht magnetischer Systeme zu reduzieren. Die Verlustkomponente der Permeabilität eines magnetischen Materials kann für maximale Effizienz in Anwendungen wie Transformatoren minimiert oder für Anwendungen wie Abschirmungen maximiert werden.

Die komplexe Permeabilität wird durch die Impedanz eines aus dem Material gebildeten Induktors bestimmt. In den meisten Fällen variiert es mit der Frequenz und sollte daher anhand der Betriebsfrequenz charakterisiert werden. Bei höheren Frequenzen sind genaue Messungen aufgrund der parasitären Impedanz des Geräts schwierig. Bei verlustarmen Materialien ist der Phasenwinkel der Impedanz entscheidend, obwohl die Genauigkeit der Phasenmessungen oft nicht ausreicht.

Auch die Permeabilität variiert mit der Temperatur, daher sollten Messsysteme in der Lage sein, Temperatureigenschaften über einen weiten Frequenzbereich genau auszuwerten.

Die komplexe Permeabilität kann durch Messung der Impedanz des magnetischen Materials abgeleitet werden. Dazu wird etwas Draht um das Material gewickelt und die Impedanz in Bezug auf die Enden des Drahtes gemessen. Das Ergebnis kann sich je nachdem, wie der Draht gewickelt ist und wie das Magnetfeld mit seiner Umgebung interagiert, ändern.

Abbildung 3 – Testvorrichtung für magnetisches Material

Die Prüfvorrichtung für magnetisches Material (siehe Abbildung 3) verfügt über einen Induktor mit einer Windung, der sich um einen Ringkern des MUT wickelt. Da es in der Einzelwindungsinduktivität keinen Streufluss gibt, kann das Magnetfeld in der Vorrichtung anhand der elektromagnetischen Theorie berechnet werden.

Die einfache Form der koaxialen Halterung und des toroidalen MUT ermöglicht in Kombination mit einem Impedanz-/Materialanalysator sowohl eine präzise Auswertung als auch eine breite Frequenzabdeckung von 1 kHz bis 1 GHz.

Fehler aufgrund des Messsystems können vor der Messung behoben werden. Der vom Impedanzanalysator verursachte Fehler kann durch Drei-Term-Fehlerkorrektur kalibriert werden. Bei höheren Frequenzen kann die Phasenwinkelgenauigkeit durch die verlustarme Kondensatorkalibrierung verbessert werden.

Die Vorrichtung kann eine weitere Fehlerquelle darstellen, eine etwaige Restinduktivität kann jedoch durch die Messung der Vorrichtung ohne angebrachten MUT ausgeglichen werden.

Wie bei den dielektrischen Messungen erfordert die Beurteilung der Temperatureigenschaften eines magnetischen Materials eine Temperaturkammer und hitzebeständige Kabel.

Bessere Mobiltelefone, fortschrittlichere Fahrerassistenzsysteme und schnellere Laptops basieren alle auf kontinuierlichen Fortschritten in einer breiten Palette von Technologien. Wir messen zwar den Fortschritt in Halbleiterprozessknoten, aber eine ganze Reihe unterstützender Technologien entwickelt sich ebenso schnell, um die Umsetzung dieser neuen Prozesse zu ermöglichen.

Jüngste Fortschritte in der Materialwissenschaft und Nanotechnologie haben es möglich gemacht, Materialien mit viel besseren dielektrischen und magnetischen Eigenschaften herzustellen, als sie zuvor verfügbar waren. Die Messung dieser Fortschritte ist jedoch ein komplexer Prozess, insbesondere aufgrund unerwünschter Wechselwirkungen zwischen den Materialien und den Vorrichtungen, in denen sie montiert sind.

Gut durchdachte Instrumente und Vorrichtungen können viele dieser Probleme überwinden und Anwendern, die nicht über spezielle Fachkenntnisse in diesen Bereichen verfügen, zuverlässige, wiederholbare und effiziente Messungen dielektrischer und magnetischer Materialeigenschaften ermöglichen. Das Ergebnis dürfte ein schnellerer Einsatz fortschrittlicher Materialien im gesamten Elektronik-Ökosystem sein.

Giovanni D'Amore, Marketing-Markenmanager, Keysight Technologies