Испытание на разрушение керамической подложки: основная разница между технологиями постоянного и переменного тока

Керамическая подложка является ключевым изолирующим материалом в силовых электронных модулях, и надежность ее электрической изоляции напрямую связана с общим сроком службы и безопасностью устройства. Испытание на пробой является основным методом оценки сопротивления керамических подложек напряжению и в основном включает два режима испытаний: пробой постоянным током (DC) и пробой переменным током (AC).

1. Основные принципы испытаний

Испытание на пробой основано на механизме диэлектрического пробоя: под действием постепенно возрастающего электрического поля структурные дефекты (такие как границы зерен, поры, примеси и т. д.) внутри керамического материала вызывают частичный разряд, что в конечном итоге приводит к необратимому нарушению проводимости материала. Напряжение пробоя определяется как напряжение, при котором материал впервые проводит безвозвратную проводимость, а напряженность поля пробоя рассчитывается путем деления напряжения пробоя на толщину образца.

На распределение электрического поля влияет множество факторов, включая форму электродов, расстояние между ними и толщину образца. В процессе испытаний необходимо строго отличать «псевдопробой» — то есть ситуацию, когда происходит лишь частичный разряд, но не образуется полная проводимость. Такие явления не следует включать в данные по разбивке.

2. Разница между пробоем постоянного и переменного тока

Существуют существенные различия в физических механизмах пробоя постоянного и переменного тока. Данные экспериментального сравнения показывают, что в одних и тех же условиях испытаний напряженность поля пробоя постоянного тока керамических материалов из нитрида алюминия обычно выше, чем напряженность поля пробоя переменного тока. Это показывает, что напряжение постоянного тока оказывает более существенное влияние на характеристики пробоя керамических материалов, в то время как электрические поля переменного тока с большей вероятностью накапливают повреждение заряда внутри материала из-за смены полярности, тем самым снижая порог пробоя.

В стандартных испытаниях испытание на пробой переменного тока обычно используется для моделирования среды переменного электрического поля в реальных рабочих условиях, тогда как испытание постоянного тока больше подходит для оценки изоляционных характеристик материалов при установившемся высоком напряжении.

3. Методы тестирования и технические моменты

Обычный пошаговый тест на разбивку использует стратегию ступенчатого повышения. Например: начните с 12 кВ и удерживайте напряжение в течение 5 минут со скоростью повышения напряжения 3000 В/сек. Если образец не разрушается, постепенно увеличивайте напряжение до более высокого напряжения (например, 15 кВ, 42 кВ), пока образец не разрушится. Другой метод использует скорость повышения напряжения 2000 В/с и устанавливает параметры в соответствии с национальными стандартами.

Подготовка электродов — ключевая часть теста. Для изолирующих керамических листов электроды обычно изготавливаются с использованием серебряной пасты комнатной температуры и трафаретной печати. Обычно одна сторона представляет собой маленький круг диаметром 10 мм, а другая сторона — большой круг диаметром 15 мм. Электроды располагаются соосно, погрешность контролируется в пределах 2 мм.

4. Факторы, влияющие на результаты испытаний

Условия окружающей среды оказывают значительное влияние на данные разбивки. Изменения температуры и влажности могут вызвать колебания результатов. Поэтому испытание должно проводиться в контролируемой среде, а также необходимы дополнительные испытания в условиях высокой температуры и высокой влажности. С точки зрения микроструктуры наличие пор уменьшит напряженность электрического поля пробоя, поскольку эффект концентрации электрического поля в пузырьках ускорит процесс пробоя. Такие параметры, как толщина образца, пористость, размер зерна и объемная доля границ зерен, существенно влияют на дисперсию теста.

Если дисперсия образца слишком велика, проверьте однородность толщины и распределение пористости, при необходимости повторно измельчите или замените сырье и убедитесь, что прибор откалиброван.

5. Сценарии применения

Испытание на пробой широко используется в силовых модулях, полупроводниковой упаковке, высоковольтных изоляционных устройствах и других областях для проверки того, соответствует ли керамическая подложка требованиям изоляции для определенного уровня напряжения. Данные испытаний могут стать важной основой для оптимизации формулы материала и улучшения процесса.