Durchschlagstest für Keramiksubstrate: Der Hauptunterschied zwischen Gleichstrom- und Wechselstromtechnologie

Keramiksubstrat ist ein wichtiges Isoliermaterial in leistungselektronischen Modulen, und seine elektrische Isolationszuverlässigkeit steht in direktem Zusammenhang mit der Gesamtlebensdauer und Sicherheit des Geräts. Die Durchschlagsprüfung ist die grundlegende Methode zur Bewertung der Spannungsbeständigkeit von Keramiksubstraten und umfasst hauptsächlich zwei Testmodi: Gleichstromdurchschlag (DC) und Wechselstromdurchschlag (AC).

1. Grundprinzipien der Prüfung

Durchschlagsprüfungen basieren auf dem Mechanismus des dielektrischen Durchschlags: Unter der Wirkung eines allmählich zunehmenden elektrischen Feldes führen strukturelle Defekte (wie Korngrenzen, Poren, Verunreinigungen usw.) im Inneren des Keramikmaterials zu einer Teilentladung, die schließlich zu einem irreversiblen Leitungsausfall des Materials führt. Die Durchbruchspannung ist als die Spannung definiert, bei der ein Material zum ersten Mal unwiederbringlich leitet. Die Durchbruchfeldstärke wird berechnet, indem die Durchbruchspannung durch die Probendicke dividiert wird.

Die Verteilung des elektrischen Feldes wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter Elektrodenform, Abstand und Probendicke. Bei der Prüfung ist strikt vom „Pseudodurchschlag“ zu unterscheiden, also von einer Situation, in der nur eine Teilentladung auftritt, sich aber keine vollständige Leitung ausbildet. Solche Phänomene sollten nicht in den Pannendaten enthalten sein.

2. Der Unterschied zwischen Gleichstrom- und Wechselstromdurchschlag

Es gibt erhebliche Unterschiede in den physikalischen Mechanismen zwischen Gleichstrom- und Wechselstromdurchschlag. Experimentelle Vergleichsdaten zeigen, dass unter den gleichen Testbedingungen die DC-Durchbruchsfeldstärke von Aluminiumnitrid-Keramikmaterialien im Allgemeinen höher ist als die AC-Durchbruchsfeldstärke. Dies zeigt, dass Gleichspannung einen größeren Einfluss auf die Durchbruchseigenschaften von Keramikmaterialien hat, während elektrische Wechselfelder aufgrund der Polaritätsumkehr eher zu Ladungsschäden im Material führen und dadurch die Durchbruchsschwelle verringern.

Bei Standardtests wird der AC-Durchschlagstest normalerweise verwendet, um die Umgebung des elektrischen Wechselfelds unter tatsächlichen Arbeitsbedingungen zu simulieren, während der DC-Test besser für die Bewertung der Isolationsleistung von Materialien unter konstanter Hochspannung geeignet ist.

3. Testmethoden und technische Punkte

Der übliche schrittweise Pannentest verwendet eine schrittweise Boost-Strategie. Beispiel: Beginnen Sie mit 12 kV und halten Sie die Spannung 5 Minuten lang bei einer Spannungsanstiegsrate von 3000 Volt/Sekunde. Wenn die Probe nicht zerfällt, erhöhen Sie die Spannung schrittweise auf eine höhere Spannung (z. B. 15 kV, 42 kV), bis die Probe zerfällt. Eine andere Methode verwendet eine Boost-Rate von 2000 V/s und stellt die Parameter gemäß den nationalen Standards ein.

Die Elektrodenvorbereitung ist ein wichtiger Teil des Tests. Zur Isolierung von Keramikplatten werden Elektroden im Allgemeinen mithilfe von Silberpaste bei Raumtemperatur und Siebdruck hergestellt. Normalerweise ist eine Seite ein kleiner Kreis mit einem Durchmesser von 10 mm und die andere Seite ein großer Kreis mit einem Durchmesser von 15 mm. Die Elektroden werden koaxial platziert und der Fehler wird auf 2 mm begrenzt.

4. Faktoren, die die Testergebnisse beeinflussen

Umgebungsbedingungen haben einen erheblichen Einfluss auf die Ausfalldaten. Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsschwankungen können zu Schwankungen der Ergebnisse führen. Daher muss der Test in einer kontrollierten Umgebung durchgeführt werden und es sind zusätzliche Tests unter Bedingungen hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit erforderlich. In Bezug auf die Mikrostruktur verringert das Vorhandensein von Poren die elektrische Feldstärke des Durchbruchs, da der Konzentrationseffekt des elektrischen Feldes in den Blasen den Durchbruchsprozess beschleunigt. Parameter wie Probendicke, Porosität, Korngröße und Korngrenzenvolumenanteil wirken sich erheblich auf die Testdispersion aus.

Wenn die Probendispersion zu groß ist, überprüfen Sie die Gleichmäßigkeit der Dicke und Porositätsverteilung, mahlen Sie die Rohstoffe nach oder ersetzen Sie sie bei Bedarf und stellen Sie sicher, dass das Instrument kalibriert wurde.

5. Anwendungsszenarien

Durchschlagstests werden häufig in Leistungsmodulen, Halbleitergehäusen, Hochspannungsisolationsgeräten und anderen Bereichen eingesetzt, um zu überprüfen, ob das Keramiksubstrat die Isolationsanforderungen einer bestimmten Spannungsebene erfüllt. Testdaten können wichtige Grundlagen für die Optimierung von Materialrezepturen und Prozessverbesserungen liefern.