击穿实验与耐压试验(1).ppt

1、电子材料与元器件的耐压和击穿试验,本章目录,1.耐压与击穿试验的概念 2.影响耐压及击穿场强的因素 3.电极、试样和媒质的选择 4.耐压和击穿试验的设备和装置 5.局部放电的观测 6.用非破坏性试验推断抗电强度,耐压与击穿试验的概念,耐压与击穿试验的必要性,介质击穿和气体击穿 （通过空间和固体表面的飞弧）,正常工作条件下 发生击穿或放电,条件： 介质材料很薄， 结构紧密， 工作条件苛刻（低气压、高温）,条件： 生产工艺和材料上的缺陷 （电阻刻槽边缘毛刺，介质含有 电金属疵点）,耐压试验和击穿试验,三个定义,击穿试验,在一定条件下逐步增高施加于 样品上的电压，直到样品发生 击穿破坏为止。 此时的

2、电压称为击穿电压。Unp,击穿试验通常在研制阶段进行，在定型生产时并不作。,击穿场强,在均匀电场下，发生击穿的电场 强度。Enp 描述材料的抗电性能。,通常所用的是平均击穿场强,耐压试验,在一定条件下对样品施加一定 电压，经受一定时间后，观察 其是否发生击穿。,击穿的种类,不论出现何种击穿， 首先关断电源！,介质中的自由电子、离子，在强 电场作用下碰撞中性原子、分子 使之电离，产生大量正负离子；,这些正负离子在电场作用下再撞 击其他中性原子或分子，使之电 离；,从而形成雪崩式电离，造成击穿,晶体管中的雪崩击穿,介质和电容器的整个或者局部热 平衡受到破坏，从电场中吸收的 热量大于散发的热量，使介

3、质内 部温度不断上升，当超过某个上 限温度时引起的击穿。,在产品的研制和生产阶段，对介 质的介电性能已作了大量的击穿 试验。,应用中，存在各种复杂的环境， 热击穿是主要问题。,边缘电场很不均匀， 气体的介电强度又比介质小， 加之表面水分、湿度等的影响，,当电压高于某个值时， 形成表面飞弧，造成击穿.,又称为边缘击穿,在电压（低于击穿电压）作用下， 材料绝缘强度逐渐下降，最后导 致的击穿。,电源中的电容被击穿（不可预见，有新的防爆结构的电容器）。,试验类型,耐压试验,击穿试验,破坏性试验， 给介质加电压直至其 被击穿。,对某一具体样品， 其击穿电压可按其定 义要求测得。,对大批产品或材料的 击穿

4、电压，实际上是 一个平均值。.,非破坏性试验， 检验产品是否合格的一种手段， 试验结果应不使样品受到破坏或 产生隐伤，待测样品在试验之后 还能正常使用。,目的：剔出不合格的产品或内部 有隐伤的产品。,对待测样品，耐压试验的电压值 一般高于其工作电压。.,耐压试验的结果只能说明该样品 能否承受该试验电压，而不能说 明其绝缘强度的高低。,影响耐压及击穿场强的因素,大纲,电场均匀度,电压波形,电压作用时间,环境条件,温度,湿度,气压,电压 作用时间,连续升压法,逐级升压法,慢速升压法,1 电场均匀度的影响,不均匀电场， 击穿可能发生在 电场强度最高的 那一点,均匀电场，击穿发生在原件 或材料的弱点处

5、,电子元件和材料内部所存在的 不均匀性，存在的杂质， 内部的缺陷（裂缝、孔洞）,问题： 不同的电场分布， 同一介质的击穿电压 可能相差几倍。 （白云母和金云母）,电场的不均匀性将 掩盖材料的不均匀性,很好的反映原件和材料本身的性能， 区别介质的绝缘强度,元件和材料试验的区别,应尽量在均匀电场下测试， 以反映材料本身的规律和特性,不可能处于均匀电场下， 应使承受的电场与 使用场合相近似， 以使测试数据有实际 意义！,元件试验,介质材料试验,不均匀电场下的材料,不利用热击穿的发展,不均匀电场,电场不均匀造成电应力集中， 减弱了杂质、缺陷处电场 集中所产生的局部过热。,原 因,为了获得均匀电场， 要

6、求合理的选择：,试样、电极的形状和大小， 试验时所处的媒介。,2 电压波形的影响,交流,直流,脉冲,工程应用中， 介质材料中的击穿场强， 通常指工频（交流下的） 击穿场强,直流电压下的耐压和 击穿试验仅针对工作 在直流电路中的原件,脉冲试验， 只在对介质材 料作型式试验 时，为全面检 验其性能而采用,电压波形的影响,交流,直流,工频（交流）电压下， 测得的击穿电压最小。,脉冲,脉冲电压下， 测得的击穿电压最高。,直流电压下， 测量值居中,交流情况下，耐压或击穿试验 考核最为严格；若交流电压满足要求， 其他形式电压也一定能满足要求。,原因,交流情况下，耐压或击穿试验考核最为严格,交流,直流,脉冲

7、,1 测试电压是有效值， 实际电压是以最大值 （峰值）加在试样上； 2 在交流下，介质要增加 交流损耗。,1试样内部空隙局部放电 所产生的空间电荷形成 的反电场使电空隙的内 电场降低，限制了局部 放电的扩展； 2介质的直流损耗比交流 损耗要低,电压作用时间极短， 有些击穿因素来不 及发展。 （热的积累和局部 放电造成的破坏）,3 电压作用时间的影响,对电子材料与元器件 加电压导致击穿,击穿从局部发展到整体， 最终导致两电极之间击穿， 该击穿过程需要时间。,特点1,特点2,随着施加电压时间的增加， 击穿电压将明显下降。,电击穿,对固体介质的击穿,电击穿,对固体介质的击穿,击穿在10-710-9内

8、发生， 可近似认为击穿电压与时间没有关系,介质损耗 将导致发热，,周围导体将热 量传导到介质，,能量积累 到临界值,使介质材料 受到破坏,游离或局部 放电击穿,游离或局部放电击穿,气隙开始游离放电,介质材料内部存在气隙， 施加电压高于气隙游离 起始电压,气泡周围的固体介质表面 出现腐蚀或分解，形成凹坑,凹坑不断加深，导致电场集 中，逐步形成树枝状放电通道,最后贯穿到两极， 造成介质材料的击穿,当外加电压足够高,材料及其加压方式,加压方式与时间,测量结果,决定了,材料的击穿与 电压作用时间有关,加压方式与时间,测量结果,不影响,材料的击穿与电压 作用时间几乎无关,三种升压方式的定义,施加于样品的

9、电压从零开始，按一定升压速度升高电压， 直到发生击穿为止。,先以连续升压的速度让样品上的电压升到击穿电压的50%，然后以慢速（依然是匀速升压）升压到击穿为止。,1）让施加在样品上的电压以连续升压的速度上升到该样品击穿电压的50%；2）然后逐级升压，每级升压值按击穿电压标称值的10%升高，每级停留一段时间；3）如不击穿再继续升高，直到击穿为止。,三种升压方式的升压速度,三种升压方式的比较,慢速 升压法,连 续 升 压 法,原 因,逐级 升压法,1） 连续升压法测得的击穿电压最高，逐级升压法 和慢速升压法测得的击穿电压相当，且低于连续升 压法；2）连续升压法使样品承受电压的作用时间 最短，慢速升压

10、法和逐级升压法使样品承受的作用 时间大致相当。,比较可知,对于连续升压法，在加压过程中的某一电压水平上， 还来不及发展成击穿过程，因此必须在更高电压水 平上才可能导致击穿。,1）击穿试验所采取的升压方式视具体情况而定；2）对要求高的样品可采用逐级升压法或慢速升压法，这样对样品的考核更严格。,备注,4 环境条件的影响,温度,湿度,气压,温度升高， 击穿电压降低,湿度增大， 击穿电压降低,气压升高， 击穿电压升高,1）温度升高，老化加快，Unp降低；2）有些击穿属于热击穿或部分热击穿，温度升高将加速击穿的到来；3）在低温区域，温度对Unp影响较小。,1）湿度将改变材料内部吸湿状态；2）湿度增大，材

11、料内部吸收的水分增多，Unp下降；3）对液体介质，其所含水分以乳状水滴存在，它会在电场作用下形成导电通道，使得Unp下降；4）对固体介质，其表面将形成导电水膜，使表面放电电压降低，引起Unp降低。,1）介质表面的飞弧电压随着气压的降低而减小，因此增加待测元件或材料周围媒介的压力时，Unp将增大。,电极、试样和媒质 的选择,概述,现状与原则,采取的措施,应用型材,应用特种媒质,选择合适的电极,现状：击穿试验在均匀电场和 不均匀电场下有很大的差异,原则：试样和电极的选择必须 保证获得所要求的电场形式。,对于电子元件,对电子元件,电极的形状和 大小是一定的,对实际产品 进行测试,为产品设计 提供参考

12、,实 现,目 的,原 因,对于电子材料,对电子材料,1）减弱边缘效应； 2）比较充分地暴露材料的弱点； 3）使测试结果更接近于真实值。,电极面积应选择的大一些； 试样面积应尽可能大。,应用型材,应用特种媒质,选择合适的电极,实 现,原 则,应用型材,厚型平板 固体材料,1）消除电极边缘效应；2）使击 穿发生在电板中央电场均匀的位置,制成中间薄、 边缘厚的样品,实 现,目的,平面型,球面型,单边型,双边型,应用特殊媒质,现状：边缘或气体 经常发生击穿,气体介电系数小； 气体的击穿场强低。,选用击穿场强或 介电系数大的媒质,将样品放入液体介质中进行击穿试验；,对策,实 际,原因,1）油（液体介质）的应接近于试样的，这样可使电场更为均匀；2）常用的油有变压器油和硅油。,选择合适的电极,电极,材料：黄铜、不锈钢、退火铝箔、 弹性金属片、导电粉末、烧银。,要求：有良