Keysight E4990A阻抗分析仪MLCC陶瓷电容器介电温谱测试

一、引言

多层片式瓷介电容器（MLCC）凭借体积小、比容大、可靠性高及适配表面贴装等优势，广泛应用于消费电子、通信设备、汽车电子等核心领域。介电性能作为MLCC的核心指标，其随温度的变化特性（介电温谱）直接决定器件在不同工况下的稳定性与使用寿命。尤其对于钛酸钡（BaTiO₃）基等Ⅱ类陶瓷材料，介电常数易受温度影响产生非线性变化，需通过精准测试实现性能评估。

介电温谱测试的核心在于捕捉材料在宽温度范围内介电常数、介电损耗、电容值等参数的变化规律，进而揭示材料微观结构与宏观性能的关联。本文采用以Keysight E4990A阻抗分析仪为核心的测试系统，针对陶瓷圆片样品与MLCC产品开展介电温谱测试，验证系统测试精度与样品性能稳定性，为相关材料与器件的研发及量产检测提供技术参考。

二、测试系统组成及核心设备特性

本次测试采用果果仪器集成化介电温谱测试系统，由核心检测单元、温度控制单元、信号传输单元及数据处理单元构成，各组件协同工作实现温度精准调控与介电参数高效采集，系统配置如下：

2.1 核心测试设备

Keysight E4990A阻抗分析仪作为系统核心检测设备，具备40Hz~110MHz宽频率范围与±0.08%的基本阻抗精度，可精准测量电容（Cp/D、Cs/Q）、阻抗（Z）、导纳（Y）等多类电学参数，支持CP-D模式直接获取样品电容值与损耗因数，为介电常数计算提供高精度数据基础。其四路端子对配置能有效消除电缆寄生参数干扰，确保低频至高频段测试数据的准确性。

2.2 温度控制单元

温度控制单元以ECH600探针冷热台为核心，搭配温度控制器、致冷控制器、液氮罐及循环水机构成闭环温控系统：

ECH600探针冷热台采用液氮致冷与电阻加热复合方式，实现-190℃~600℃超宽温度范围调控，配备银质载样台与磁吸式镀金探针，确保样品与电极的可靠接触及温度均匀性；

温度控制器采用PID调节算法，温控精度达±0.1℃，升降温速率可在0~30℃/min范围内调节，满足不同测试场景下的温度程序需求；

循环水机用于冷热台外壳冷却，避免高温对设备部件的影响，同时配合液氮排气系统实现低温环境下视窗除霜，保障测试过程可视化与稳定性。

2.3 辅助设备

信号切换器实现多通道信号的快速切换，支持批量样品高效测试；上位机搭载专用测试软件，集成数据采集、实时绘图、自动计算功能，可通过输入样品尺寸（厚度、面积），基于介电常数公式εr=C·d/(ε₀·A)（其中C为测量电容，d为样品厚度，A为电极面积，ε₀为真空介电常数8.854×10⁻¹² F/m）自动计算不同温度下的介电常数。

三、测试方法与实验流程

本次测试采用平行板电容法，该方法因原理直观、操作简便、精度较高，广泛应用于固体陶瓷材料介电性能测试，具体实验流程如下：

3.1 样品预处理

选取两类陶瓷圆片样品（A-BT、B-BT）及MLCC产品作为测试对象，对样品进行外观检查，确保表面平整、无划痕、无破损。使用高精度测厚仪测量样品厚度，游标卡尺测量电极面积，各参数重复测量3次取平均值，作为后续介电常数计算的基础数据。

3.2 测试系统校准与搭建

测试前对Keysight E4990A阻抗分析仪进行开路、短路校准，消除寄生电容与导线电阻对测试结果的干扰。将陶瓷烧银片放置于ECH600冷热台载样台上，确保烧银层与载样台良好贴合；将样品置于烧银片上方，调整磁吸式探针位置，使一根探针与样品上电极紧密接触，另一根探针与烧银层导通，形成完整测试回路。

3.3 测试参数设置

通过上位机软件设置测试参数：升温速率3℃/min，测试温度范围覆盖样品实际工作温度区间；频率选取4个典型频段，对应MLCC实际应用场景；测试电压设定为0.5V，避免高压导致样品极化或击穿。将预处理后的样品尺寸参数输入软件，开启自动数据采集功能。

3.4 样品测试与数据记录

启动温控系统与阻抗分析仪，按照预设程序升温，系统自动采集不同温度、不同频率下样品的TCC、Dk、Df、Cp等参数。每个样品完成升温初测后，进行回温处理并重复测试（二测），通过多次测试验证结果重复性。所有测试数据由上位机实时记录并生成原始曲线。

四、测试结果与分析

对三类样品的测试数据进行整理与分析，重点评估TCC重复性、Dk/Df稳定性及MLCC电容值一致性，结果如下：

4.1 陶瓷圆片样品测试结果

陶瓷圆片A-BT：TCC曲线重复性优异，不同测试轮次曲线重合度高，差异极小；Dk及Df参数在初测、回温、二测过程中变化趋势完全一致，数值偏差控制在允许范围内，表明该样品介电性能随温度变化稳定，微观结构均一性良好。

陶瓷圆片B-BT：TCC重复性较好，多轮测试曲线差异较小，无明显漂移；Dk参数随温度变化趋势一致，虽部分温度点存在微小波动，但整体符合Ⅱ类陶瓷材料介电特性规律；Df参数稳定性满足测试要求，未出现异常突变。

4.2 MLCC产品测试结果

MLCC产品TCC多次测试吻合程度良好，电容温度变化率控制在±15%以内，符合电子设备对电容器温度稳定性的设计需求；Cp测试值范围为0.085μF~0.115μF，同一温度下二测与一测数值差异小于7%，重复性达标；0.5V测试条件下，所有参数均与产品标称值一致，表明该批次MLCC产品性能合格，可满足实际应用需求。

4.3 温控系统精度验证

测试过程中对温控精度进行同步验证，结果显示：在3℃/min升温速率下，同一温度4个频率采样的实际温差小于0.2℃，同一品类样品相邻测试点温差≤0.2℃，温控精度稳定在±0.1℃，与设备配置单标称值一致，确保了介电参数测试的准确性与可靠性。

五、结论

1. 测试系统性能可靠：基于Keysight E4990A阻抗分析仪与ECH600探针冷热台构建的介电温谱测试系统，温控精度高、数据采集准确，能有效捕捉样品介电参数随温度的变化规律，满足MLCC及陶瓷材料介电温谱测试的技术需求。

2. 样品性能达标：本次测试的陶瓷圆片（A-BT、B-BT）及MLCC产品，TCC、Dk、Df等核心参数重复性与稳定性良好，MLCC电容值及温度变化率符合标称要求，产品性能一致性优异。

3. 测试方案实用：采用的平行板电容法结合集成化测试系统，操作简便、测试效率高，可实现样品介电性能的系统化表征，为MLCC及陶瓷材料的研发优化、量产质量管控提供可靠技术手段。

六、拓展应用：多品牌仪表兼容适配

该介电温谱测试系统具备良好的兼容性，除搭配Keysight E4990A阻抗分析仪外，还可与同惠TH2838精密LCR测试仪适配。同惠TH2838具备宽频率范围与高精度测量能力，在中低频段介电测试中表现优异，可根据测试需求与预算灵活选择核心仪表，进一步拓展系统的应用场景，满足不同用户的测试需求。