Test di rottura del substrato ceramico: la differenza fondamentale tra la tecnologia DC e AC

Il substrato ceramico è un materiale isolante fondamentale nei moduli elettronici di potenza e la sua affidabilità di isolamento elettrico è direttamente correlata alla durata complessiva e alla sicurezza del dispositivo. Il test di rottura è il metodo di base per valutare la resistenza alla tensione dei substrati ceramici e comprende principalmente due modalità di prova: rottura in corrente continua (CC) e rottura in corrente alternata (CA).

1. Principi di base del test

Il test di rottura si basa sul meccanismo di rottura dielettrica: sotto l'azione di un campo elettrico in graduale aumento, i difetti strutturali (come bordi dei grani, pori, impurità, ecc.) all'interno del materiale ceramico causeranno scariche parziali, portando infine a un guasto di conduzione irreversibile del materiale. La tensione di rottura è definita come la tensione alla quale un materiale conduce per la prima volta in modo irrecuperabile, mentre l'intensità del campo di rottura viene calcolata dividendo la tensione di rottura per lo spessore del campione.

La distribuzione del campo elettrico è influenzata da molti fattori, tra cui la forma degli elettrodi, la spaziatura e lo spessore del campione. Durante il processo di prova è necessario distinguere rigorosamente la "pseudo rottura", ovvero una situazione in cui si verifica solo una scarica parziale ma non si forma alcuna conduzione completa. Tali fenomeni non dovrebbero essere inclusi nei dati disaggregati.

2. La differenza tra guasto DC e guasto AC

Esistono differenze significative nei meccanismi fisici tra guasto DC e guasto AC. I dati di confronto sperimentale mostrano che, nelle stesse condizioni di test, l'intensità del campo di rottura DC dei materiali ceramici in nitruro di alluminio è generalmente superiore all'intensità del campo di rottura AC. Ciò dimostra che la tensione CC ha un impatto più significativo sulle caratteristiche di rottura dei materiali ceramici, mentre i campi elettrici CA hanno maggiori probabilità di accumulare danni da carica all’interno del materiale a causa dell’inversione di polarità, riducendo così la soglia di rottura.

Nei test standard, il test di rottura CA viene solitamente utilizzato per simulare l'ambiente del campo elettrico alternato in condizioni di lavoro reali, mentre il test CC è più adatto per valutare le prestazioni di isolamento dei materiali in condizioni di alta tensione stazionaria.

3. Metodi di test e punti tecnici

Il comune test di guasto passo passo utilizza una strategia di potenziamento graduale. Ad esempio: iniziare da 12 kV e mantenere la tensione per 5 minuti con una velocità di aumento della tensione di 3000 volt/secondo. Se il campione non si rompe, aumentare gradualmente la tensione fino a un valore più alto (ad esempio 15 kV, 42 kV) finché il campione non si rompe. Un altro metodo utilizza una velocità di boost di 2000 V/s e imposta i parametri in base agli standard nazionali.

La preparazione degli elettrodi è una parte fondamentale del test. Per l'isolamento delle lastre ceramiche gli elettrodi vengono generalmente realizzati utilizzando pasta d'argento a temperatura ambiente e serigrafia. Di solito un lato è un piccolo cerchio con un diametro di 10 mm e l'altro lato è un cerchio grande con un diametro di 15 mm. Gli elettrodi sono posizionati coassialmente e l'errore è controllato entro 2 mm.

4. Fattori che influenzano i risultati dei test

Le condizioni ambientali hanno un impatto significativo sui dati di guasto. I cambiamenti di temperatura e umidità possono causare fluttuazioni nei risultati. Pertanto, il test deve essere condotto in un ambiente controllato e sono necessari ulteriori test in condizioni di temperatura e umidità elevate. In termini di microstruttura, la presenza di pori ridurrà l’intensità del campo elettrico di rottura perché l’effetto di concentrazione del campo elettrico nelle bolle accelererà il processo di rottura. Parametri quali spessore del campione, porosità, dimensione dei grani e frazione di volume del contorno dei grani influenzeranno in modo significativo la dispersione del test.

Quando la dispersione del campione è troppo grande, controllare l'uniformità dello spessore e la distribuzione della porosità, macinare nuovamente o sostituire le materie prime se necessario e assicurarsi che lo strumento sia stato calibrato.

5. Scenari applicativi

I test di rottura sono ampiamente utilizzati nei moduli di potenza, negli imballaggi di semiconduttori, nei dispositivi di isolamento ad alta tensione e in altri campi per verificare se il substrato ceramico soddisfa i requisiti di isolamento di uno specifico livello di tensione. I dati dei test possono fornire una base importante per l'ottimizzazione della formula del materiale e il miglioramento del processo.