印制电路板低气压条件下耐电压性能研究.docx

印制电路板低气压条件下耐电压性能研究王强齐亚欣 (航天科技集团第九研究院二00厂例行试验中心北京100854)【摘要】：在低气压条件下印制电路板的耐电压性能，是航天产品特有的电性能检测项目。通 过低气压下印制电路板的耐电压理论，结合实际测试数据和相关标准，总结了在低气压条件下印制 电路板耐电压性的变化曲线及特性。【关键词】：低气压层问耐压线间耐压变化曲线pcb under condition of low air pressure voltage resistance performance ofwangqiangqiyaxin(aerospace science and technology group of the ninth research institute of the two 00 factoryroutine testing center)abstract：printed circuit board withstand voltage performance under low pressure conditions， is electrical performance testing project specific to aerospace products，printed circuit board by a low pressure withstand voltage theory,combined with the actual test data and related standards，summarized in the low pressure printed circuit board under the condition of the resistance to changes in the curves and characteristics of the voltage resistancekey words：low pressurelayer voltageline voltagecurve引言随电子集成技术的迅猛发展，元器件的封装模式不断改进(见图1)，印制板的密度在不断提高， 叠层越来越多，导致印制板导线间的间距和层间介质层厚度越来越小，在低气压下印制板的耐电压 性能明显下降，因此现对低气压条件下，印制板的耐电压性能进行研究与探讨。秭dipqfpbgacspmcm图11低气压的概念11低气压与高度变化的关系 气压值等于该地单位面积上大气柱的重量。我们都知道高度愈高，气压也就愈低，气压总是随着高度的增加而降低的。登山运动员在攀登高峰时，愈接近顶峰，愈感到呼吸困难，海平面的大气 压约为10135mb(101350 pa)，而到达5公里的高空，气压就约是5402mb了(见表1)。一般在低 层大气中，上升相同距离气压降低的数值大，而在高层大气中，降低的数值小，据实测在近地面层中， 高度每升高100米，气压平均降低约1267mb汞柱高度，但在高层舅iua,于这个数值(变化曲线见图2)。海拔高度、气压对照表表1(gpm)气温(oc) 气压(mb)(gpm)气温() 气压(mb)(gpm)气温(oc) 气压(mb)01510135200020795010000-502644720013798953000-45701115000565120540012496614000一11616420d010-56554760011194325000一17554022500051525480098920860002447183000046511710008589878000-373560图249l12低气压试验 低气压试验就是将试验样品放人低气压试验箱(室)，然后将箱(室)内气压降低到有关标准规定的值，并保持规定气压的试验。其目的主要用来考察元件、设备或电子产品在贮存、运输和使用 中对低气压环境的适应性。13真空及真空度的基本概念131“真空”泛指在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，也就是说，同正常大 气压相比，是保持较为稀薄的一种气体状态。132“真空度”是对气体稀薄程度的一种量度分类(见表2)。真空度表2真空度分类真空度(托) 粗真空 76010低真空10103高真空103108超高真空1081012极高真空10一121托=1毫米汞柱=133322pa=75x 103托2气压与耐电压的关系21低气压对耐电压的影响 高海拔地区气压会随高度的增加而逐渐降低，同时气压降低会造成空气密度下降，使得空气的绝缘强度下降，当气压低时，因导体靠电荷导电，绝缘体内部微量电荷运动速率加剧，造成绝缘程 度减小，在低气压环境中，电子产品的抗电性能会明显下降。22帕邢定律221击穿电压 击穿电压u(kv)是电极距离d(em)和气压p(托)乘积的函数。1为离子撞击阴极时所发生的电子发射的过程，经过微分后得到最低击穿电压公式：ud=bpdlnapdin(1+1y)】式中：ud一低气压条件下的耐电压值，单位为伏(v)； b一系数，在空气中b=2744vcmpa； p一大气压，单位为帕(pa)； d一导线间距，单位为厘米(em)； a一系数，在空气中a=0110vempa； y一电极系数，在空气中y=o025。492222帕邢曲线1889年由帕邢根据表征均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间关系的定律，对一定的 电极和气体，其击穿电压取决于气体压强p和电极间距离d两者间的乘积，表达为：usf(pd)。通 过该公式可得到帕邢曲线(如图3)图3由曲线可见，提高气压或是降低气压到真空(例如106托)都能提高间隙击穿电压，这概念在 实际应用中是有意义的。帕邢定律在一定(pd)范围有效。气压过高或高真空中，放电过程不适用汤 森理论，帕邢定律也就不适用。3与印制板相关的低气压标准31国内外标准在国内外有很多标准对低气压条件下印制板的电性能指标作出了规定，如gb t 2423211991电 工电子产品基本环境试验规程的试验m低气压试验方法、gjb 15021986军用设备环境试验方法 的低气压(高度)试验、rtcadol60e航空机载设备环境试验条件等。32航天标准 在qj201a一99印制电路板通用规范和qj831a一98航天用多层印制电路板通用规范中对印制板在低气压下的耐电压性提出了相应要求，并在qj519a一99印制电路板试验方法和qj832a一98航天用多层印制电路板试验方法中规定了具体的检测方法(见表3)。航天标准对照表表3规范方法标准号条款规定间距标准号条款 环境条件正常条件低气压条件qj201a-9936621mmqj5 19a-99554层间1300v350、r环境条件正常条件低气压条件36621表层1300v350、r1mmqj831a-98内层1400v400qj832a-98564环境条件正常条件低气压条件3662201mm层间700v250v49333低气压下耐电压性明显下降 航天电子产品在发射过程中，要经历从正常大气压到真空，气压变化的全过程，因此，只有航天标准对低气压条件下，印制板导线间和层间介质的耐电压性能提出了明确要求。在低气压条件下， 印制板的线间和层间介质耐电压性能，仅有正常大气压力条件下的30左右。34耐电压值的换算 在进行线间和层间介质耐电压性能测试，当间距为lmm时，应符合标准中所规定的耐电压值，当间距是非标准间距时，应按下列公式换算。11m=ij，bum一换算后的标准耐电压值，vmm； u一实测电压值，v； b一实测导体间间距，mm；4低气压试验41试验样件的选择411在被测的成品板上，任选三对不同间距的导线(一般从导线间距最小处选取)，并测量出 相邻间距也可制做附连测试板，进行线间耐电压测试，一般采用梳状图形，线间距可按需要设定图形， 在进行层间耐电压测试时一般采用树状图形，测试的层间介质厚度应大于01mm(如图4)。q o o o o o o o o oo o o o o o o o o123456789梳状图形树状图形图4412试样表面应无阻焊膜或涂敷层。42试验样件的预处理 在试验前应对所有试样(包括成品板、附连测试板或鉴定检验用综合测试板)确定测试点，焊接测量引线，并使用无水乙醇对样件表面进行清洗，自然晾干后，在855的烘箱内烘干2h以上， 再在正常测试条件下放置24h后，进行耐电压性的测试。43低气压试验条件431耐电压性能测试应在气压为066 kpa000133kpa的低气压条件下进行。432试验测试设备和仪器应经二级以上计量单位校准，并在有效期内。433环境温度为15。c35。c，相对湿度为45一75。49444低气压试验方法。441在低气压条件下试验时，将试样进行预处理后放于低气压箱内，将测量引线的一端预先与 被测点连接好(焊接)，引线另一端通过连接转接器将引线引至低气压箱外，与耐压测量仪器相连 并与地绝缘。442关上箱门后将箱内气压降至o00133kpa后，关闭空抽机，按上述方法进行耐电压测试，测 试的过程中以200vmin的速度缓慢升压，并应通过低气压箱上的观察151密切监视试样放电和飞弧现 象，取产生飞弧(电晕放电)前的最高电压值作为低气压条件下的耐电压值；当未发生飞弧，施加 电压已达到标准规定值时，应保持1min，且不应击穿。443当被测试样是成品板或在制板中的抽样，应优选表层和内层同一平面内的相邻导体，间距 为lmm或层间距(介质)不小于o1mm时可直接进行测量，如导线间距或层间距(介质)不是标准 间距时，应事先测出相邻导线的实际间距(精确至005ram)，并按34进行换算。5不同因素下的耐电压性51正常条件下耐电压与导线问距的关系511导线之间可以允许的电压，主要取决于基材的种类、涂敷层、导线边缘齐整性、导线间距、 表面污染和使用环境等多种因素(见图5)，如果导线上或导线间有覆形涂敷，会影响耐电压性能的 测试。图5512印制导线间允许工作电压(见表4)不同导线间距允许工作电压表4印制导线间距mm01302o510 15每增加0003mm 允许工作电压v 10 20 50 150300约增加1v513没有规定允许电压的情况下，可按(图5)耐电压与导线间的关系曲线来确定。495l，一一5 ，一一，j， ，：=一 二7乞一 -一一 =，：=：j7一，田中：-线局撇电电压：，线b一工作电压至愚撇电电压的：缱c一工作电压藏至月蠢嗽电电压的；ol-缱d一工作电压蕞至愀电电压的9。导线间距珊图552低气压状态下耐电压性受气压的影响521选用相同间距的试验样件，分别在133pa、133pa、133pa、1330pa、13300pa条件下进行测试， 耐压值变化(见表5)低气压下击穿电压表表5气压pa间距mm击穿电压v133101074133106131331o38713301059613300101023522结论 击穿电压是气体压力和线间距的乘积pd的函数，随pd值的变化，低气压状态下击穿电压极小值出现在133660pa之间，击穿电压变化曲线(见图6)。y2，j一r ，l 5一一 簟 l、 ， ，r一一fl h， q 51， ，、l一一 ，n 3a一，、q 2q 1d(pa)1330图653低气压状态下耐电压性受温度的影响531海拔与温度变化的关系一般来说，海拔越高，气温越低。因为对流层大气的主要直接热源是地面，离地面越远，得到 的地面辐射越少，气温也就越低。在从地面到1l公里的高空中，温度的变化速率为一6公里；在 1120公里的高空中，温度处于平衡状态，基本保持在一565；在20公里以上的高空中，温度的 变化速率为+l公里。532在133660pa真空度范围内，分别选择15、20e、25：u、30、35。c、40。c的不同温度下， 进行耐压值测试，其测试结果(见表6)耐压值随温度变化表表6温度间距hnm气压，pa击穿电压厂v1510133-660391251o133-6603892510133-6603863010133-6603843510133-66038240101336603795-33结论 在低气压条件下，温度和耐电压值变化成反比，但变化十分微小。一般电路在2000pm以上，也就是说，温度每上升1度，低气压耐压值会下降万分之二左右。54低气压状态下耐电压性受湿度的影响541湿度与电压的关系 在干燥空气中只有少数自由电子和离子，在电压作用下，自由电子在空气中运动加快，相互碰撞释放出更多的电子，从而导致了电击穿；如果空气潮湿，电压使空气中的水分子极化，由于自由 基作用从而产生了电荷层，这些电荷层增加了电子的亲和力，因此空气击穿电压将降低。542在133660pa真空度范围内，分别选择在30、40、50、60、70、80的不同湿度下， 进行耐压值测试，其测试结果(见表7)表7温度e间距nun气压，pa击穿电压厂v1510133-6603912510133-66038925101336603863010133-6603843510133-6603824010133-660379497543变化曲线(图7)v图7544结论 在低气压条件下，湿度和耐电压值变化成反比，且变化十分明显。一般电路在湿度上升时，耐压值会下降，且耐压值随湿度的增大降幅会不断扩大。 55低气压状态下耐电压性受间距的影响551低气压下间距对耐压值的影响 低气压条件下的耐电压比正常大气压条件下的耐电压要低，不同间距的低气压耐电压性可按(图8)确定。?635mm |311_m、哪啡栅椭脚蛳o，7j，2勘 纥：二一一弋l 905mrfl1咖咖瑚湖枷瑚127舯lji li ii i-i iiii i-i-003鹎0 133 o盘酯 o确5 133266 665 13】26693i气压(kh)图8552导线边缘齐整性对耐压值的影响 印制板导线的加工精度，直接影响导线间的耐电压性能，加工中修版和蚀刻是影响线条边缘齐整性的重要工步，导线边缘的突起和毛刺会使导线间距减少，导致耐电压性能下降。 56低气压状态下耐电压性受介质的影响561电压作用时间对耐电压的影响498如果电压作用时间很短，固体介质的击穿往往是电击穿(见图9)，击穿电压较高。随着电压 作用时间的增长，在气压极低时，气体的密度减少到很少的程度，电子或离子的自由行程加长，往 往会产生热击穿。蕾誊i铝时闯tl, 图9562工作频率对耐电压的影响 在电击穿区域内，击穿电压与频率几乎无关。在热击穿区域内，击穿电压将与频率的平方根成反比。在低压时，频率上升使介质损耗上升，导致发热产生高频击穿。 563温度对介质耐电压的影响 固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于电击穿，超过某个温度后将发生热击穿，温度越高热击穿电压越低，如在低气压条件下，热击穿电压将更低。因此不同的固体介质其耐热性能和耐热 等级是不同的。564介质材料对耐电压的影响 介质内部不可避免地存在某些小气泡或气隙，可能是由于工艺不完善，使介质层间、或介质内部因膨胀系数不同，温度变化会引起介质分解出气体，形成小气泡，低气压条件下，更容易在这些 气隙或气泡中产生局部放电。565介质厚度对耐电压的影响 在13313300pa真空度范围内，分别选择o1、o5、10mm厚度的环氧树脂玻璃布板进行耐压值测试，其测试结果(见表8)介质厚度