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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。击穿的种类热击穿电击穿飞弧击穿老化击穿不论出现何种击穿，首先关断电源！热击穿电击穿飞弧击穿老化击穿介质中的自由电子、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热击穿电击穿飞弧击穿老化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。热击穿电击穿飞弧击穿老化击穿边缘电场很不均匀，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.又称为边缘击穿热击穿电击穿飞弧击穿老化击穿在电压（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1.很好的反映原件和材料本身的性能，2.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。热击穿游离或局部放电击穿电击穿对固体介质的击穿热击穿电击穿对固体介质的击穿击穿在10-7~10-9内发生，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逐级升压法连续升压法慢速升压法升压方式三种升压方式的定义逐级升压法连续升压法慢速升压法升压方式施加于样品的电压从零开始，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，慢速升压法和逐级升压法使样品承受的作用时间大致相当。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ε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ε应接近于试样的ε，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：有良好的导电、导热性能；与试样有良好的接触；不与试样发生反应。电极的尺寸、形状和配置，见图4-3（下一页）实际电极的尺寸、形状和配置a为板状试样，上下电极同心，但面积不等。b和d为板状试样，上下电极同心，面积相等。c为双边平面型的型材试样，上下电极面积相等。e为管状试样，内外电极面积不等。f为压层材料沿层试验，针对板电极。g为薄片板状试样，球电极形式。