耐壓與擊穿試驗 (1)

1、電子材料與元器件的耐壓和擊穿試驗本章目錄v1.耐壓與擊穿試驗的概念耐壓與擊穿試驗的概念v2.影響耐壓及擊穿場強的因素影響耐壓及擊穿場強的因素v3.電極、試樣和媒質(zhì)的選擇電極、試樣和媒質(zhì)的選擇v4.耐壓和擊穿試驗的設備和裝置v5.局部放電的觀測v6.用非破壞性試驗推斷抗電強度耐壓與擊穿試驗的概念耐壓與擊穿試驗的必要性介質(zhì)擊穿和氣體擊穿（通過空間和固體表面的飛?。┱９ぷ鳁l件下發(fā)生擊穿或放電條件：介質(zhì)材料很薄，結構緊密，工作條件苛刻（低氣壓、高溫）條件：生產(chǎn)工藝和材料上的缺陷（電阻刻槽邊緣毛刺，介質(zhì)含有電金屬疵點）耐壓試驗和擊穿試驗三個定義擊穿試驗在一定條件下逐步增高施加于樣品上的電壓，直到樣品發(fā)

2、生擊穿破壞為止。此時的電壓稱為擊穿電壓。Unp擊穿試驗通常在研制階段進行，在定型生產(chǎn)時并不作。擊穿場強在均勻電場下，發(fā)生擊穿的電場強度。Enp描述材料的抗電性能。通常所用的是平均擊穿場強耐壓試驗在一定條件下對樣品施加一定電壓，經(jīng)受一定時間后，觀察其是否發(fā)生擊穿。擊穿的種類不論出現(xiàn)何種擊穿，首先關斷電源！ 介質(zhì)中的自由電子、離子，在強電場作用下碰撞中性原子、分子使之電離，產(chǎn)生大量正負離子； 這些正負離子在電場作用下再撞擊其他中性原子或分子，使之電離；從而形成雪崩式電離，造成擊穿 晶體管中的雪崩擊穿介質(zhì)和電容器的整個或者局部熱平衡受到破壞，從電場中吸收的熱量大于散發(fā)的熱量，使介質(zhì)內(nèi)部溫度不斷上升，

3、當超過某個上限溫度時引起的擊穿。在產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)階段，對介質(zhì)的介電性能已作了大量的擊穿試驗。應用中，存在各種復雜的環(huán)境，熱擊穿是主要問題。邊緣電場很不均勻，氣體的介電強度又比介質(zhì)小，加之表面水分、濕度等的影響，當電壓高于某個值時，形成表面飛弧，造成擊穿.又稱為邊緣擊穿在電壓（低于擊穿電壓）作用下，材料絕緣強度逐漸下降，最后導致的擊穿。電源中的電容被擊穿（不可預見，有新的防爆結構的電容器）。試驗類型耐壓試驗擊穿試驗破壞性試驗，給介質(zhì)加電壓直至其被擊穿。 對某一具體樣品，其擊穿電壓可按其定義要求測得。對大批產(chǎn)品或材料的擊穿電壓，實際上是一個平均值。.非破壞性試驗，檢驗產(chǎn)品是否合格的一種手段，試驗

4、結果應不使樣品受到破壞或產(chǎn)生隱傷，待測樣品在試驗之后還能正常使用。目的：剔出不合格的產(chǎn)品或內(nèi)部有隱傷的產(chǎn)品。對待測樣品，耐壓試驗的電壓值一般高于其工作電壓。.耐壓試驗的結果只能說明該樣品能否承受該試驗電壓，而不能說明其絕緣強度的高低。影響耐壓及擊穿場強的因素大綱電場均勻度電壓波形電壓作用時間環(huán)境條件溫度濕度氣壓電壓作用時間連續(xù)升壓法逐級升壓法慢速升壓法1 電場均勻度的影響均勻電場，擊穿發(fā)生在原件或材料的弱點處電子元件和材料內(nèi)部所存在的不均勻性，存在的雜質(zhì)，內(nèi)部的缺陷（裂縫、孔洞）問題：不同的電場分布，同一介質(zhì)的擊穿電壓可能相差幾倍。（白云母和金云母）電場的不均勻性將掩蓋材料的不均勻性元件和材料

5、試驗的區(qū)別應盡量在均勻電場下測試，以反映材料本身的規(guī)律和特性元件試驗介質(zhì)材料試驗不均勻電場下的材料不利用熱擊穿的發(fā)展電場不均勻造成電應力集中，減弱了雜質(zhì)、缺陷處電場集中所產(chǎn)生的局部過熱。原 因為了獲得均勻電場，要求合理的選擇：試樣、電極的形狀和大小，試驗時所處的媒介。2 電壓波形的影響交流直流脈沖工程應用中，介質(zhì)材料中的擊穿場強，通常指工頻（交流下的）擊穿場強直流電壓下的耐壓和擊穿試驗僅針對工作在直流電路中的原件脈沖試驗，只在對介質(zhì)材料作型式試驗時，為全面檢驗其性能而采用電壓波形的影響交流直流工頻（交流）電壓下，測得的擊穿電壓最小。脈沖脈沖電壓下，測得的擊穿電壓最高。直流電壓下，測量值居中交流

6、情況下，耐壓或擊穿試驗考核最為嚴格；若交流電壓滿足要求，其他形式電壓也一定能滿足要求。原因交流情況下，耐壓或擊穿試驗考核最為嚴格交流直流脈沖1 測試電壓是有效值，實際電壓是以最大值（峰值）加在試樣上；2 在交流下，介質(zhì)要增加交流損耗。1試樣內(nèi)部空隙局部放電所產(chǎn)生的空間電荷形成的反電場使電空隙的內(nèi)電場降低，限制了局部放電的擴展；2介質(zhì)的直流損耗比交流損耗要低電壓作用時間極短，有些擊穿因素來不及發(fā)展。（熱的積累和局部放電造成的破壞）3 電壓作用時間的影響對電子材料與元器件加電壓導致?lián)舸舸木植堪l(fā)展到整體，最終導致兩電極之間擊穿，該擊穿過程需要時間。特點1特點2隨著施加電壓時間的增加，擊穿電壓將明

7、顯下降。熱擊穿游離或局部放電擊穿電擊穿對固體介質(zhì)的擊穿熱擊穿電擊穿對固體介質(zhì)的擊穿擊穿在10-710-9內(nèi)發(fā)生，可近似認為擊穿電壓與時間沒有關系介質(zhì)損耗將導致發(fā)熱，周圍導體將熱量傳導到介質(zhì)，能量積累到臨界值使介質(zhì)材料受到破壞游離或局部放電擊穿游離或局部放電擊穿氣隙開始游離放電介質(zhì)材料內(nèi)部存在氣隙，施加電壓高于氣隙游離起始電壓氣泡周圍的固體介質(zhì)表面出現(xiàn)腐蝕或分解，形成凹坑凹坑不斷加深，導致電場集中，逐步形成樹枝狀放電通道最后貫穿到兩極，造成介質(zhì)材料的擊穿當外加電壓足夠高材料及其加壓方式加壓方式與時間測量結果決定了材料的擊穿與電壓作用時間有關加壓方式與時間測量結果不影響材料的擊穿與電壓作用時間幾乎

8、無關逐級升壓法連續(xù)升壓法慢速升壓法三種升壓方式的定義逐級升壓法連續(xù)升壓法慢速升壓法施加于樣品的電壓從零開始，按一定升壓速度升高電壓，直到發(fā)生擊穿為止。先以連續(xù)升壓的速度讓樣品上的電壓升到擊穿電壓的50%，然后以慢速（依然是勻速升壓）升壓到擊穿為止。1）讓施加在樣品上的電壓以連續(xù)升壓的速度上升到該樣品擊穿電壓的50%；2）然后逐級升壓，每級升壓值按擊穿電壓標稱值的10%升高，每級停留一段時間；3）如不擊穿再繼續(xù)升高，直到擊穿為止。三種升壓方式的升壓速度三種升壓方式的比較慢速升壓法連續(xù)升壓法原 因逐級升壓法1） 連續(xù)升壓法測得的擊穿電壓最高，逐級升壓法和慢速升壓法測得的擊穿電壓相當，且低于連續(xù)升壓

9、法；2）連續(xù)升壓法使樣品承受電壓的作用時間最短，慢速升壓法和逐級升壓法使樣品承受的作用時間大致相當。比較可知對于連續(xù)升壓法，在加壓過程中的某一電壓水平上，還來不及發(fā)展成擊穿過程，因此必須在更高電壓水平上才可能導致?lián)舸?1）擊穿試驗所采取的升壓方式視具體情況而定；2）對要求高的樣品可采用逐級升壓法或慢速升壓法，這樣對樣品的考核更嚴格。備注4 環(huán)境條件的影響溫度濕度氣壓溫度升高，擊穿電壓降低濕度增大，擊穿電壓降低氣壓升高，擊穿電壓升高1）溫度升高，老化加快，Unp降低；2）有些擊穿屬于熱擊穿或部分熱擊穿，溫度升高將加速擊穿的到來；3）在低溫區(qū)域，溫度對Unp影響較小。1）濕度將改變材料內(nèi)部吸濕狀

10、態(tài)；2）濕度增大，材料內(nèi)部吸收的水分增多，Unp下降；3）對液體介質(zhì)，其所含水分以乳狀水滴存在，它會在電場作用下形成導電通道，使得Unp下降；4）對固體介質(zhì)，其表面將形成導電水膜，使表面放電電壓降低，引起Unp降低。1）介質(zhì)表面的飛弧電壓隨著氣壓的降低而減小，因此增加待測元件或材料周圍媒介的壓力時，Unp將增大。電極、試樣和媒質(zhì) 的選擇概述現(xiàn)狀與原則采取的措施應用型材應用特種媒質(zhì)選擇合適的電極現(xiàn)狀：擊穿試驗在均勻電場和不均勻電場下有很大的差異原則：試樣和電極的選擇必須保證獲得所要求的電場形式。對于電子元件對電子元件電極的形狀和大小是一定的對實際產(chǎn)品進行測試為產(chǎn)品設計提供參考實現(xiàn)目的對于電子材料

11、對電子材料1）減弱邊緣效應；2）比較充分地暴露材料的弱點；3）使測試結果更接近于真實值。電極面積應選擇的大一些；試樣面積應盡可能大。應用型材應用特種媒質(zhì)選擇合適的電極實現(xiàn)應用型材厚型平板固體材料1）消除電極邊緣效應；2）使擊穿發(fā)生在電板中央電場均勻的位置制成中間薄、邊緣厚的樣品實現(xiàn)目的平面型球面型單邊型雙邊型應用特殊媒質(zhì)現(xiàn)狀：邊緣或氣體經(jīng)常發(fā)生擊穿氣體介電系數(shù)?。粴怏w的擊穿場強低。選用擊穿場強或介電系數(shù)大的媒質(zhì)將樣品放入液體介質(zhì)中進行擊穿試驗；對策實 際原因1）油（液體介質(zhì)）的應接近于試樣的，這樣可使電場更為均勻；2）常用的油有變壓器油和硅油。選擇合適的電極電極材料：黃銅、不銹鋼、退火鋁箔、彈性金屬片、導電粉末、燒銀。要求：有良好的導電、導熱