Test de claquage du substrat céramique : la principale différence entre la technologie DC et AC

Le substrat en céramique est un matériau isolant clé dans les modules électroniques de puissance, et sa fiabilité d'isolation électrique est directement liée à la durée de vie et à la sécurité globales de l'appareil. Le test de claquage est la méthode de base pour évaluer la résistance à la tension des substrats céramiques et comprend principalement deux modes de test : le claquage en courant continu (DC) et le claquage en courant alternatif (AC).

1. Principes de base des tests

Les tests de claquage sont basés sur le mécanisme de claquage diélectrique : sous l'action d'un champ électrique augmentant progressivement, les défauts structurels (tels que les joints de grains, les pores, les impuretés, etc.) à l'intérieur du matériau céramique provoqueront une décharge partielle, conduisant finalement à une défaillance irréversible de la conduction du matériau. La tension de claquage est définie comme la tension à laquelle un matériau conduit de manière irréversible, tandis que l'intensité du champ de claquage est calculée en divisant la tension de claquage par l'épaisseur de l'échantillon.

La distribution du champ électrique est affectée par de nombreux facteurs, notamment la forme des électrodes, leur espacement et l'épaisseur de l'échantillon. Au cours du processus de test, il convient de distinguer strictement les « pseudo-pannes », c'est-à-dire les situations dans lesquelles seule une décharge partielle se produit mais aucune conduction complète n'est formée. De tels phénomènes ne doivent pas être inclus dans les données de panne.

2. La différence entre les pannes DC et AC

Il existe des différences significatives dans les mécanismes physiques entre les pannes DC et AC. Les données de comparaison expérimentale montrent que dans les mêmes conditions de test, l'intensité du champ de claquage CC des matériaux céramiques en nitrure d'aluminium est généralement supérieure à l'intensité du champ de claquage CA. Cela montre que la tension continue a un impact plus significatif sur les caractéristiques de claquage des matériaux céramiques, tandis que les champs électriques alternatifs sont plus susceptibles d'accumuler des dommages de charge à l'intérieur du matériau en raison de l'inversion de polarité, réduisant ainsi le seuil de claquage.

Dans les tests standards, les tests de claquage CA sont généralement utilisés pour simuler l'environnement du champ électrique alternatif dans des conditions de travail réelles, tandis que les tests CC sont plus adaptés à l'évaluation des performances d'isolation des matériaux sous haute tension en régime permanent.

3. Méthodes de test et points techniques

Le test de panne étape par étape commun utilise une stratégie de boost par étapes. Par exemple : démarrez à 12 kV et maintenez la tension pendant 5 minutes à un taux d'augmentation de tension de 3 000 volts/seconde. Si l'échantillon ne se décompose pas, augmentez progressivement la tension jusqu'à une tension plus élevée (par exemple 15 kV, 42 kV) jusqu'à ce que l'échantillon se décompose. Une autre méthode utilise un taux de suralimentation de 2 000 V/s et définit les paramètres conformément aux normes nationales.

La préparation des électrodes est un élément clé du test. Pour les feuilles de céramique isolantes, les électrodes sont généralement réalisées à l'aide de pâte d'argent à température ambiante et de sérigraphie. Habituellement, un côté est un petit cercle d'un diamètre de 10 mm et l'autre côté est un grand cercle d'un diamètre de 15 mm. Les électrodes sont placées coaxialement et l'erreur est contrôlée à moins de 2 mm.

4. Facteurs affectant les résultats des tests

Les conditions environnementales ont un impact significatif sur les données de panne. Les changements de température et d’humidité peuvent entraîner des fluctuations dans les résultats. Par conséquent, le test doit être effectué dans un environnement contrôlé et des tests supplémentaires sont requis dans des conditions de température et d’humidité élevées. En termes de microstructure, la présence de pores réduira l’intensité du champ électrique de claquage car l’effet de concentration du champ électrique dans les bulles accélérera le processus de claquage. Des paramètres tels que l’épaisseur de l’échantillon, la porosité, la taille des grains et la fraction volumique aux limites des grains affecteront considérablement la dispersion du test.

Lorsque la dispersion de l'échantillon est trop grande, vérifiez l'uniformité de l'épaisseur et la répartition de la porosité, rebroyez ou remplacez les matières premières si nécessaire et assurez-vous que l'instrument a été calibré.

5. Scénarios d'application

Les tests de panne sont largement utilisés dans les modules de puissance, les emballages de semi-conducteurs, les dispositifs d'isolation haute tension et d'autres domaines pour vérifier si le substrat céramique répond aux exigences d'isolation d'un niveau de tension spécifique. Les données de test peuvent constituer une base importante pour l’optimisation des formules de matériaux et l’amélioration des processus.