Teste de ruptura do substrato cerâmico: a principal diferença entre a tecnologia DC e AC

O substrato cerâmico é um material isolante essencial em módulos eletrônicos de potência, e sua confiabilidade de isolamento elétrico está diretamente relacionada à vida útil e segurança geral do dispositivo. O teste de ruptura é o método básico para avaliar a resistência à tensão de substratos cerâmicos e inclui principalmente dois modos de teste: ruptura por corrente contínua (CC) e ruptura por corrente alternada (CA).

1. Princípios básicos de teste

O teste de ruptura é baseado no mecanismo de ruptura dielétrica: sob a ação de um campo elétrico crescente gradualmente, defeitos estruturais (como limites de grão, poros, impurezas, etc.) dentro do material cerâmico causarão descarga parcial, eventualmente levando a falha de condução irreversível do material. A tensão de ruptura é definida como a tensão na qual um material primeiro conduz irrecuperavelmente, enquanto a intensidade do campo de ruptura é calculada dividindo a tensão de ruptura pela espessura da amostra.

A distribuição do campo elétrico é afetada por muitos fatores, incluindo formato do eletrodo, espaçamento e espessura da amostra. Durante o processo de teste, a "pseudo ruptura" deve ser estritamente distinguida - isto é, uma situação em que ocorre apenas uma descarga parcial, mas nenhuma condução completa é formada. Tais fenómenos não devem ser incluídos nos dados de desagregação.

2. A diferença entre a ruptura de CC e CA

Existem diferenças significativas nos mecanismos físicos entre a ruptura de CC e a ruptura de CA. Dados de comparação experimental mostram que, sob as mesmas condições de teste, a intensidade do campo de ruptura CC dos materiais cerâmicos de nitreto de alumínio é geralmente maior do que a intensidade do campo de ruptura CA. Isso mostra que a tensão CC tem um impacto mais significativo nas características de ruptura dos materiais cerâmicos, enquanto os campos elétricos CA têm maior probabilidade de acumular danos de carga dentro do material devido à inversão de polaridade, reduzindo assim o limiar de ruptura.

Em testes padrão, o teste de ruptura CA é geralmente usado para simular o ambiente de campo elétrico alternado sob condições reais de trabalho, enquanto o teste CC é mais adequado para avaliar o desempenho de isolamento de materiais sob alta tensão em estado estacionário.

3. Métodos de teste e pontos técnicos

O teste de detalhamento passo a passo comum usa uma estratégia de reforço escalonado. Por exemplo: comece em 12 kV e mantenha a tensão por 5 minutos a uma taxa de aumento de tensão de 3.000 volts/segundo. Se a amostra não quebrar, aumente gradualmente a tensão para uma tensão mais alta (como 15 kV, 42 kV) até que a amostra se quebre. Outro método utiliza uma taxa de reforço de 2.000 V/s e define os parâmetros de acordo com os padrões nacionais.

A preparação do eletrodo é uma parte fundamental do teste. Para folhas cerâmicas isolantes, os eletrodos geralmente são feitos com pasta de prata em temperatura ambiente e serigrafia. Normalmente, um lado é um círculo pequeno com diâmetro de 10 mm e o outro lado é um círculo grande com diâmetro de 15 mm. Os eletrodos são colocados coaxialmente e o erro é controlado dentro de 2 mm.

4. Fatores que afetam os resultados dos testes

As condições ambientais têm um impacto significativo nos dados detalhados. Mudanças de temperatura e umidade podem causar flutuações nos resultados. Portanto, o teste deve ser realizado em um ambiente controlado e testes adicionais são necessários sob condições de alta temperatura e alta umidade. Em termos de microestrutura, a presença de poros reduzirá a intensidade do campo elétrico de ruptura porque o efeito da concentração do campo elétrico nas bolhas acelerará o processo de ruptura. Parâmetros como espessura da amostra, porosidade, tamanho de grão e fração de volume do limite de grão afetarão significativamente a dispersão do teste.

Quando a dispersão da amostra for muito grande, verifique a uniformidade da espessura e a distribuição da porosidade, retifique ou substitua as matérias-primas, se necessário, e certifique-se de que o instrumento foi calibrado.

5. Cenários de aplicação

O teste de ruptura é amplamente utilizado em módulos de potência, embalagens de semicondutores, dispositivos de isolamento de alta tensão e outros campos para verificar se o substrato cerâmico atende aos requisitos de isolamento de um nível de tensão específico. Os dados de teste podem fornecer uma base importante para otimização de fórmulas de materiais e melhoria de processos.