誘電率をもっとよく知るためのQ&A

A1.

材料の持つ誘電率は、信号の伝搬速度と関係があります。信号の伝搬速度を速くするには、伝搬距離と信号の伝搬遅延時間を短縮させることが重要です。
信号伝搬遅延時間（Td）は、次式で与えられます。

Td = L * ε r^1/2 / C

この式から信号の遅延は材料の比誘電率と密接に関係し、遅延時間の低減には材料の低誘電率化が不可欠となります。
例えば、汎用的な基板材料であるガラスエポキシ（εr=4.8）と高周波用基板材料である低誘電率ポリイミド（εr =3.5）を比較した場合、信号遅延時間はガラスエポキシが1.17倍も大きくなります。
（参照：「高周波用高分子材料の開発と応用」シーエムシー出版　馬場文明/監修 より抜粋）

A2.

変化します。下図は、ガラスクロスの基板に樹脂を浸透させた例です。樹脂を浸透させる前のガラスクロス単体の誘電率はおよそ5～6で、樹脂単体の誘電率はおよそ3ですが、樹脂を浸透させた後の回路基板の誘電率は全体的に低くなってしまいます。また樹脂の浸透程度が場所により不均一な場合、誘電特性も不均一になってしまいます。誘電体セラミックスの場合も同様に、焼結条件のわずかな違いにより誘電特性が異なります。
現代の基板は様々な複合材料で構成されているので、最終的な材料の誘電率を正確に把握し、正しいデータを取得した品質管理が重要になります。

A3.

比誘電率の波長短縮効果により、誘電体内の電磁波の速度は空気中に対してに減少し、従って波長もに縮小して、立体回路などの寸法が小さくなりますが、その反面、誘電体の電磁波吸収により損失が生じます。それゆえ、なるべく損失係数ε”＝ε’　tanδが小さいことが望ましいです。とくにεrが大きくtanδの小さい物質が最適ですが、それにはなるべく非極性に近い物質構造が必要です。
一般に高分子材料は極性の強いものが多いですが、これらは高損失です。一般にεrが大きい物質はtanδも大きい傾向にあります。下図には、主要な物質の2.45GHzおよび950MHzのマイクロ波帯における誘電率と損失角正接の測定値が示されていますが、この周波数領域では比誘電率はほとんど変化しませんが、tanδは変化が大きいことがわかります。

2種類のマイクロ波におけるεrとtanδの変化
（参照：「高周波用高分子材料の開発と応用」シーエムシー出版　馬場文明/監修 より抜粋）

主要な材料のεrとtanδ
（参照：「高周波用高分子材料の開発と応用」シーエムシー出版　馬場文明/監修 より抜粋）

高周波損失はε”に比例するので、高周波回路にはε”またはtanδの小さい物質が適しています。上表で見られるように、テフロン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどは誘電率は低いですが損失も少ないです。これに対してナイロンなどは同じくらいの誘電率ですが、ε”が大きく高周波損失の大きいことが示されています。以上のように高分子材料はその種類によりεrとtanδが異なるので、使用する目的によって誘電率の測定を行い、その種類を決めなければなりません。また、誘電率は周波数により変化するので、測定は目的とする周波数において行う必要があります。
（「高周波用高分子材料の開発と応用」シーエムシー出版　馬場文明/監修 p29～30より抜粋）

A4.

高分子材料を高周波用途に適用しようとする場合、高分子中に含まれる微量な不純物や添加剤が誘電正接を大きくする原因となります。また、微量成分そのものだけでなく、微量成分が樹脂の吸湿を増加させる場合も、比誘電率や誘電正接は吸収した水の影響により大きく増大します。
機械的強度や耐熱性を改良するため、ガラス繊維や無機フィラーを充填する場合あるいは難燃剤を添加する場合においても、強化材、充填材、難燃剤のみでなくサイジング剤やカップリング剤等の加工助剤に対しても十分に注意する必要があります。すなわち、高周波用の材料開発では、樹脂自体の誘電特性を最初に評価した後、開発の過程での誘電特性の変化を十分に把握する必要があります。
（参照：「高周波用高分子材料の開発と応用」シーエムシー出版　馬場文明/監修 p23より抜粋）

A5.

携帯機器などに内蔵されるアンテナは小型化が求められており、そのため波長短縮効果から、高い誘電率を持つ誘電体が採用されます。また、アンテナの放射効率を高める為に誘電損失が低い誘電体が望まれます。誘電体の誘電率にばらつきがあると、アンテナの共振周波数がばらつくことに繋がるため、一定の誘電特性をコントロールする技術が必要とされています。

A6.

電子レンジを代表とするマイクロ波加熱は、加熱対象の誘電損失による発熱を利用しています。また、誘電率による電磁波の反射・屈折・波長短縮の効果が、マイクロ波の分布に影響します。
そのため、特に工業用途で効率的で均一なマイクロ波加熱を行う場合には、加熱対象及び周囲物質の誘電特性の把握が重要な要素となります。

A1.

誘電率とは、材料の電気特性パラメータで、材料中を伝搬する電磁波の波長短縮効果を示す値です。
誘電率；電磁波長の短縮効果（波長短縮率=  )

ε’＝誘電率の実部ε”＝ 誘電率の虚部