擊穿實(shí)驗(yàn)與耐壓試驗(yàn)(1)

1、電子材料與元器件的耐壓和擊穿試驗(yàn)本章目錄v1.耐壓與擊穿試驗(yàn)的概念耐壓與擊穿試驗(yàn)的概念v2.影響耐壓及擊穿場(chǎng)強(qiáng)的因素影響耐壓及擊穿場(chǎng)強(qiáng)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(yàn)的設(shè)備和裝置v5.局部放電的觀測(cè)v6.用非破壞性試驗(yàn)推斷抗電強(qiáng)度耐壓與擊穿試驗(yàn)的概念耐壓與擊穿試驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(diǎn)）耐壓試驗(yàn)和擊穿試驗(yàn)三個(gè)定義擊穿試驗(yàn)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(shí)的電壓稱為擊穿電壓。Unp擊穿試驗(yàn)通常在研制階段進(jìn)行，在定型生產(chǎn)時(shí)并不作。擊穿場(chǎng)強(qiáng)在均勻電場(chǎng)下，發(fā)生擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度。Enp描述材料的抗電性能。通常所用的是平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)耐壓試驗(yàn)在一定條件下對(duì)樣品施加一定電壓，經(jīng)受一定時(shí)間后，觀察其是否發(fā)生擊穿。擊穿的種類熱擊穿電擊穿飛弧擊穿老化擊穿不論出現(xiàn)何種擊穿，首先關(guān)斷電源！ 熱擊穿電擊穿飛弧擊穿老化擊穿介質(zhì)中的自由電子、離子，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下碰撞中性原子、分子使之電離，產(chǎn)生大量正負(fù)離子； 這些正負(fù)離子在電場(chǎng)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熱擊穿電擊穿飛弧擊穿老化擊穿介質(zhì)和電容器的整

3、個(gè)或者局部熱平衡受到破壞，從電場(chǎng)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，當(dāng)超過某個(gè)上限溫度時(shí)引起的擊穿。在產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)階段，對(duì)介質(zhì)的介電性能已作了大量的擊穿試驗(yàn)。應(yīng)用中，存在各種復(fù)雜的環(huán)境，熱擊穿是主要問題。熱擊穿電擊穿飛弧擊穿老化擊穿邊緣電場(chǎng)很不均勻，氣體的介電強(qiáng)度又比介質(zhì)小，加之表面水分、濕度等的影響，當(dāng)電壓高于某個(gè)值時(shí)，形成表面飛弧，造成擊穿.又稱為邊緣擊穿熱擊穿電擊穿飛弧擊穿老化擊穿在電壓（低于擊穿電壓）作用下，材料絕緣強(qiáng)度逐漸下降，最后導(dǎo)致的擊穿。電源中的電容被擊穿（不可預(yù)見，有新的防爆結(jié)構(gòu)的電容器）。試驗(yàn)類型耐壓試驗(yàn)擊穿試驗(yàn)破壞性試驗(yàn)，給介質(zhì)加電壓直至其被擊穿。 對(duì)

4、某一具體樣品，其擊穿電壓可按其定義要求測(cè)得。對(duì)大批產(chǎn)品或材料的擊穿電壓，實(shí)際上是一個(gè)平均值。.非破壞性試驗(yàn)，檢驗(yàn)產(chǎn)品是否合格的一種手段，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)不使樣品受到破壞或產(chǎn)生隱傷，待測(cè)樣品在試驗(yàn)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(duì)待測(cè)樣品，耐壓試驗(yàn)的電壓值一般高于其工作電壓。.耐壓試驗(yàn)的結(jié)果只能說明該樣品能否承受該試驗(yàn)電壓，而不能說明其絕緣強(qiáng)度的高低。影響耐壓及擊穿場(chǎng)強(qiáng)的因素大綱電場(chǎng)均勻度電壓波形電壓作用時(shí)間環(huán)境條件溫度濕度氣壓電壓作用時(shí)間連續(xù)升壓法逐級(jí)升壓法慢速升壓法1 電場(chǎng)均勻度的影響不均勻電場(chǎng)，擊穿可能發(fā)生在電場(chǎng)強(qiáng)度最高的那一點(diǎn)均勻電場(chǎng)，擊穿發(fā)生在原件或材料的弱點(diǎn)處電

5、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(chǎng)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(chǎng)的不均勻性將掩蓋材料的不均勻性1. 很好的反映原件和材料本身的性能，2. 區(qū)別介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度元件和材料試驗(yàn)的區(qū)別應(yīng)盡量在均勻電場(chǎng)下測(cè)試，以反映材料本身的規(guī)律和特性不可能處于均勻電場(chǎng)下，應(yīng)使承受的電場(chǎng)與使用場(chǎng)合相近似，以使測(cè)試數(shù)據(jù)有實(shí)際意義！元件試驗(yàn)介質(zhì)材料試驗(yàn)不均勻電場(chǎng)下的材料不利用熱擊穿的發(fā)展不均勻電場(chǎng)電場(chǎng)不均勻造成電應(yīng)力集中，減弱了雜質(zhì)、缺陷處電場(chǎng)集中所產(chǎn)生的局部過熱。原 因?yàn)榱双@得均勻電場(chǎng)，要求合理的選擇：試樣、電極的形狀和大小，試驗(yàn)時(shí)所處的媒

6、介。2 電壓波形的影響交流直流脈沖工程應(yīng)用中，介質(zhì)材料中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，通常指工頻（交流下的）擊穿場(chǎng)強(qiáng)直流電壓下的耐壓和擊穿試驗(yàn)僅針對(duì)工作在直流電路中的原件脈沖試驗(yàn)，只在對(duì)介質(zhì)材料作型式試驗(yàn)時(shí)，為全面檢驗(yàn)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(cè)得的擊穿電壓最小。脈沖脈沖電壓下，測(cè)得的擊穿電壓最高。直流電壓下，測(cè)量值居中交流情況下，耐壓或擊穿試驗(yàn)考核最為嚴(yán)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(yàn)考核最為嚴(yán)格交流直流脈沖1 測(cè)試電壓是有效值，實(shí)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

7、空間電荷形成的反電場(chǎng)使電空隙的內(nèi)電場(chǎng)降低，限制了局部放電的擴(kuò)展；2介質(zhì)的直流損耗比交流損耗要低電壓作用時(shí)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(shí)間的影響對(duì)電子材料與元器件加電壓導(dǎo)致?lián)舸舸木植堪l(fā)展到整體，最終導(dǎo)致兩電極之間擊穿，該擊穿過程需要時(shí)間。特點(diǎn)1特點(diǎn)2隨著施加電壓時(shí)間的增加，擊穿電壓將明顯下降。熱擊穿游離或局部放電擊穿電擊穿對(duì)固體介質(zhì)的擊穿熱擊穿電擊穿對(duì)固體介質(zhì)的擊穿擊穿在10-710-9內(nèi)發(fā)生，可近似認(rèn)為擊穿電壓與時(shí)間沒有關(guān)系介質(zhì)損耗將導(dǎo)致發(fā)熱，周圍導(dǎo)體將熱量傳導(dǎo)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

8、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(dǎo)致電場(chǎng)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(dāng)外加電壓足夠高材料及其加壓方式加壓方式與時(shí)間測(cè)量結(jié)果決定了材料的擊穿與電壓作用時(shí)間有關(guān)加壓方式與時(shí)間測(cè)量結(jié)果不影響材料的擊穿與電壓作用時(shí)間幾乎無關(guān)逐級(jí)升壓法連續(xù)升壓法慢速升壓法升壓方式三種升壓方式的定義逐級(jí)升壓法連續(xù)升壓法慢速升壓法升壓方式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。

9、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(jí)升壓，每級(jí)升壓值按擊穿電壓標(biāo)稱值的10%升高，每級(jí)停留一段時(shí)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(jí)升壓法1） 連續(xù)升壓法測(cè)得的擊穿電壓最高，逐級(jí)升壓法和慢速升壓法測(cè)得的擊穿電壓相當(dāng)，且低于連續(xù)升壓法；2）連續(xù)升壓法使樣品承受電壓的作用時(shí)間最短，慢速升壓法和逐級(jí)升壓法使樣品承受的作用時(shí)間大致相當(dāng)。比較可知對(duì)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(dǎo)致?lián)舸?1）擊穿試驗(yàn)所采取的升壓方式

10、視具體情況而定；2）對(duì)要求高的樣品可采用逐級(jí)升壓法或慢速升壓法，這樣對(duì)樣品的考核更嚴(yán)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(duì)Unp影響較小。1）濕度將改變材料內(nèi)部吸濕狀態(tài)；2）濕度增大，材料內(nèi)部吸收的水分增多，Unp下降；3）對(duì)液體介質(zhì)，其所含水分以乳狀水滴存在，它會(huì)在電場(chǎng)作用下形成導(dǎo)電通道，使得Unp下降；4）對(duì)固體介質(zhì)，其表面將形成導(dǎo)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

11、降低而減小，因此增加待測(cè)元件或材料周圍媒介的壓力時(shí)，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(yīng)用型材應(yīng)用特種媒質(zhì)選擇合適的電極現(xiàn)狀：擊穿試驗(yàn)在均勻電場(chǎng)和不均勻電場(chǎng)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(chǎng)形式。對(duì)于電子元件對(duì)電子元件電極的形狀和大小是一定的對(duì)實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考實(shí)現(xiàn)目的原 因?qū)τ陔娮硬牧蠈?duì)電子材料1）減弱邊緣效應(yīng)；2）比較充分地暴露材料的弱點(diǎn)；3）使測(cè)試結(jié)果更接近于真實(shí)值。電極面積應(yīng)選擇的大一些；試樣面積應(yīng)盡可能大。應(yīng)用型材應(yīng)用特種媒質(zhì)選擇合適的電極實(shí)現(xiàn)原 則應(yīng)用型材厚型平板固體材料1）消除電極邊緣效應(yīng)；2）使擊穿發(fā)生在電板中央電場(chǎng)均勻的位置制成中間薄、邊緣厚的樣品實(shí)現(xiàn)目的平面型球面型單邊型雙邊型應(yīng)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)??；氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)低。選用擊穿場(chǎng)強(qiáng)或介電系數(shù)大的媒質(zhì)將樣品放入液體介質(zhì)中進(jìn)行擊穿試驗(yàn)；對(duì)策實(shí) 際原因1）油（液體介質(zhì)）的應(yīng)接近于試樣的，這樣可使電場(chǎng)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(dǎo)電粉末、燒銀。要求