星用FR-4材料本征介電性能隨溫度的變化研究

鄧佳欣，易 忠，張 超，孟立飛，唐小金，王 斌

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，100094）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)衛(wèi)星內(nèi)帶電效應(yīng)已做了大量研究，其發(fā)生的機(jī)理為：空間高能帶電粒子穿過(guò)衛(wèi)星表面在衛(wèi)星構(gòu)件的電介質(zhì)內(nèi)部傳輸并沉積從而建立電場(chǎng)的過(guò)程[1]。大量的在軌實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，衛(wèi)星內(nèi)帶電的發(fā)生會(huì)對(duì)衛(wèi)星造成嚴(yán)重的損害；隨著衛(wèi)星體積不斷增大，壁厚由于重量的限制不斷減薄，電子線路的復(fù)雜度和集成度也在不斷增加，內(nèi)帶電將對(duì)航天器運(yùn)行及其提供業(yè)務(wù)的可靠性和安全性造成更為嚴(yán)重的威脅。因此，對(duì)衛(wèi)星的內(nèi)帶電問(wèn)題進(jìn)行研究顯得非常必要。

衛(wèi)星內(nèi)帶電的出現(xiàn)，有兩個(gè)必要條件：一是空間高能電子通量的大幅度增加；二是大量電子投入并沉積在難以泄露電荷的組件中，如絕緣介質(zhì)材料組件——電路板。電路板是航天器上最為常見(jiàn)的介質(zhì)材料，也是內(nèi)帶電發(fā)生的重點(diǎn)部位。由于電路板是載荷和控制系統(tǒng)的核心部件，直接影響到航天器的功能和壽命，因此必須大力開(kāi)展電路板材料內(nèi)帶電效應(yīng)地面試驗(yàn)?zāi)M和分析評(píng)估研究。

國(guó)外在電路板材料內(nèi)帶電的研究領(lǐng)域取得了多項(xiàng)研究成果，其形式有軟件及試驗(yàn)方法，如歐空局開(kāi)發(fā)的DICTAT軟件[2]和A. R. Frederickson采用的改進(jìn)的試驗(yàn)方法[3]等等。然而我國(guó)在此方面的研究還處在起步階段[4-6]。

我國(guó)衛(wèi)星所使用的電路板主要是覆銅箔環(huán)氧樹(shù)脂玻璃布層壓板，簡(jiǎn)稱FR-4。FR-4材料是一種混合材料，其介電參數(shù)測(cè)量是內(nèi)帶電研究的一個(gè)難點(diǎn)。在前期的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)FR-4的本征介電參數(shù)（本征介電參數(shù)指介質(zhì)在常態(tài)下測(cè)試的介電參數(shù)）不是永恒不變的，由于各方面的原因，它們也是變量。而FR-4生產(chǎn)商提供的介電參數(shù)值往往只是一個(gè)范圍或者是單一條件下的固定值，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足內(nèi)帶電分析評(píng)估的需要。影響介質(zhì)材料本征介電參數(shù)的因素很多，本文僅通過(guò)試驗(yàn)研究溫度變化對(duì)FR-4本征介電性能的影響規(guī)律。

1 材料介電參數(shù)測(cè)量方法

開(kāi)展內(nèi)帶電效應(yīng)研究需要建立合適的空間輻射環(huán)境模型，同時(shí)選取合適的物理模型和內(nèi)部充電電場(chǎng)計(jì)算方法。為了對(duì)內(nèi)帶電效應(yīng)進(jìn)行定量的分析，準(zhǔn)確獲取材料的各項(xiàng)介電參數(shù)尤為重要。這些參數(shù)包括：體積電導(dǎo)率，介電常數(shù)，介電強(qiáng)度。在理想情況下，材料的本征介電參數(shù)應(yīng)該是固定數(shù)值；而實(shí)際材料中無(wú)可避免的存在著各種缺陷，同時(shí)受制備手段、加工工藝和環(huán)境條件等因素的影響，材料的結(jié)構(gòu)、成分的差異以及外界環(huán)境都將引起材料介電參數(shù)的改變。因此，開(kāi)展FR-4材料本征介電參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)量，積累材料參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)，深入分析研究材料本征參數(shù)隨各種影響因素的變化規(guī)律，對(duì)內(nèi)帶電效應(yīng)評(píng)估和分析具有重要意義。

1.1 體積電導(dǎo)率測(cè)量方法

體積電導(dǎo)率為體積電阻率的倒數(shù)。體積電阻率（volume resistivity）是在絕緣材料里面的直流電場(chǎng)強(qiáng)度和穩(wěn)態(tài)電流密度之商，即單位體積內(nèi)的體積電阻。體積電阻率的SI單位是?·m。

體積電導(dǎo)率的計(jì)算公式為

式中：σ為電導(dǎo)率，?-1·m-1；vρ為體積電阻率，?·m；Rv為測(cè)得的試樣體積電阻，?；A為測(cè)量電極的有效面積，m2，A=π(g/2+d1+g/2)2/4，其中 g為電極間隙；h為試樣的平均厚度，m。電極試樣的尺寸見(jiàn)圖1所示[7]。

圖1 圓形試樣電極配置圖Fig. 1 Diagram of the circular electrode

三電極測(cè)試法的原理如圖2所示[7]。

圖2 檢流計(jì)直接測(cè)量體積電阻率原理圖Fig. 2 Principle diagram of volume resistivity measurement for galvanometer

按圖2所示的檢流計(jì)法進(jìn)行測(cè)量，體積電阻為

式中：Rv為測(cè)得的試樣體積電阻，?；U為試驗(yàn)電壓，V；N為分流比；α為檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)數(shù)，用兩次讀數(shù)的平均值表示，mm；Cg為檢流計(jì)常數(shù)，A/mm。

1.2 介電常數(shù)測(cè)量方法研究

介電常數(shù)是綜合反映介質(zhì)內(nèi)部電極化行為的一個(gè)重要的宏觀物理量[8]。

圖3為介電常數(shù)測(cè)量的示意圖。把電容器極板分別接到精密電容電橋的測(cè)量輸入端，利用螺旋測(cè)微器等精度較高的測(cè)距儀器，調(diào)節(jié)測(cè)出電容器上下極板間距離d。先測(cè)定以空氣為介質(zhì)時(shí)的電容C1，再將待測(cè)板狀電介質(zhì)加工成略小于上下極板的圓盤，放入上下電極之間，并測(cè)定有介質(zhì)時(shí)的電容C2。

圖3 介電常數(shù)測(cè)量示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the permittivity measurement

由圖3可知

在(3)和(4)式中：C0為該介質(zhì)板電容器在無(wú)介質(zhì)時(shí)的電容，C0=ε0·S/d；C邊為介質(zhì)板以外的電極間的電容；C分為測(cè)量系統(tǒng)的分布電容；C串為有介質(zhì)部分的電容與對(duì)應(yīng)的空氣電容串聯(lián)后的等值電容，即

只要在測(cè)量過(guò)程中保持極板、電容電橋、接線等狀態(tài)不變，則在兩次測(cè)量中C分和C邊都基本不變，可得：

由(6)式可知，只要兩次測(cè)量過(guò)程中保持系統(tǒng)的狀態(tài)不變，則由邊際效應(yīng)和分布電容對(duì)流量結(jié)果的影響已被消除，因此只要測(cè)出C1、C2、d、t、S即可準(zhǔn)確地計(jì)算出待測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù) ε=ε0·εr，相對(duì)誤差可小于1%。

1.3 介電強(qiáng)度測(cè)量方法

在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，介電強(qiáng)度為擊穿電壓與施加電壓的兩導(dǎo)電部分之間距離的商。在逐級(jí)試驗(yàn)的情況下，擊穿電壓取為能耐受的最高的一級(jí)電壓值。該定義也用作材料相應(yīng)的特性。圖4為介電強(qiáng)度測(cè)量的示意圖[9]。

圖4 介電強(qiáng)度測(cè)量示意圖Fig. 4 Schematic diagram of dielectric intensity measurement

首先測(cè)出介質(zhì)厚度d，然后電源電壓按一定規(guī)律升高，直到擊穿現(xiàn)象的發(fā)生，記錄下?lián)舸r(shí)的電壓U0，即可得出介電強(qiáng)度（V/m）：

當(dāng)絕緣體兩側(cè)加上階躍電壓時(shí)，先是出現(xiàn)較大的沖擊漏電流，此電流隨時(shí)間按近似指數(shù)規(guī)律下降，最后穩(wěn)定在一較小的電流值，這種現(xiàn)象稱絕緣吸收現(xiàn)象。沖擊電流的幅值決定于所加電壓大小和材料特性，如果將測(cè)試高壓一下子加上去，沖擊電流會(huì)很大。因此合理的加壓曲線應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：1）逐漸上升，先加較低的電壓，等電流降到一定值時(shí)再升高少許電壓，逐步升壓至要求的電壓值；2）升壓曲線應(yīng)先快后慢，因?yàn)殚_(kāi)始升壓時(shí)電壓較低，漏電流沖擊幅度不大，越到后段，電壓越高，越要注意避免沖擊漏電流，該曲線應(yīng)類似于硅鋼片的磁化特性。

2 FR-4介電參數(shù)隨溫度變化規(guī)律試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

CONCEPT80寬帶介電譜測(cè)量系統(tǒng)。

2.2 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

GB1410—89，固體絕緣材料體積電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率的測(cè)量方法。

GB/T 1409—88，固體絕緣材料在工頻、音頻、高頻（包括米波長(zhǎng)在內(nèi)），相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)的試驗(yàn)方法。

2.3 試驗(yàn)預(yù)處理

試驗(yàn)前將樣品在烘箱中進(jìn)行熱處理，80℃下保持2 h。

2.4 試驗(yàn)樣品

蘇州生益科技有限公司提供的規(guī)格為 1.6H/H的A級(jí)FR-4電路板。

2.5 試驗(yàn)環(huán)境

溫度27.5℃；相對(duì)濕度58%。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)測(cè)量了FR-4電路板在多種溫度下的體積電導(dǎo)率、介電常數(shù)、介電強(qiáng)度，得出這3種介電參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。試驗(yàn)樣品為 100 mm×100 mm× 1.6 mm的普通FR-4板。

3.1 電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果及分析

該 FR-4電路板的體積電導(dǎo)率隨溫度變化曲線如圖5所示。

由圖 5可知， FR-4的體積電導(dǎo)率在-90 140℃的區(qū)間內(nèi)緩慢上升，而當(dāng)溫度超過(guò)140℃時(shí)，試樣的體積電導(dǎo)率急劇上升。這種現(xiàn)象可通過(guò)固體介質(zhì)的電導(dǎo)組成和高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg[10]來(lái)解釋。固體介質(zhì)的電導(dǎo)主要由電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)組成：電子電導(dǎo)的載流子是電子和空穴，其主要來(lái)源于本征熱激發(fā)、雜質(zhì)和電極注入；離子電導(dǎo)的載流子有本征熱缺陷載流子、雜質(zhì)缺陷載流子和質(zhì)子。兩種電導(dǎo)都有熱激活特性，即都會(huì)隨溫度的上升而增加。在低溫下（＜Tg），本征熱激發(fā)和熱缺陷載流子數(shù)量很少，對(duì)電導(dǎo)起主導(dǎo)作用的是雜質(zhì)引入的載流子，而它主要與摻雜量有關(guān)，溫度的影響不顯著。因此，F(xiàn)R-4的電導(dǎo)率在較低溫度范圍內(nèi)緩慢的上升。Tg是材料保持剛性的最高溫度，超過(guò)該溫度后，材料將由剛性的“玻璃態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋鹉z態(tài)”。高溫時(shí)，本征熱激發(fā)和熱缺陷載流子引起的電導(dǎo)占據(jù)主導(dǎo)地位，它與溫度關(guān)系遵循指數(shù)上升規(guī)律。本試驗(yàn)樣品的Tg為141℃，因此當(dāng)溫度超過(guò)141℃時(shí)，F(xiàn)R-4的體積電導(dǎo)率急劇上升。

3.2 介電常數(shù)測(cè)量結(jié)果及分析

該樣品的FR-4板其介電常數(shù)隨溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 FR-4電路板的介電常數(shù)隨溫度變化曲線Fig. 6 The variation of permittivity with temperatures

由圖6可知， FR-4 的介電常數(shù)在-150～140℃的區(qū)間緩慢的上升，當(dāng)超過(guò)140℃時(shí)，介電常數(shù)出現(xiàn)猛增現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可用極性聚合物的不同狀態(tài)下的分子熱運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋。極性聚合物分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，大分子之間的束縛力是阻止各類電偶極距定向在電場(chǎng)方向的主要因素[11]。

FR-4中的環(huán)氧樹(shù)脂為極性聚合物，極性聚合物在玻璃化溫度以下只能發(fā)生偶極基團(tuán)轉(zhuǎn)向極化，使電容率隨溫度緩慢上升。聚合物在玻璃化溫度以下表現(xiàn)為玻璃態(tài)，試驗(yàn)所用試樣玻璃化溫度為141℃，在這個(gè)溫度以下，分子熱運(yùn)動(dòng)隨著溫度的升高而加劇，分子間的束縛力變小但整個(gè)分子鏈和局部的鏈段只能在平衡位置上振動(dòng)，不能平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，因此只能發(fā)生偶極基團(tuán)極化，使得電容率增加但不顯著。玻璃化溫度（141℃）以上，聚合物處于高彈態(tài)，分子內(nèi)鏈段因結(jié)構(gòu)單元較小、熱能足夠而開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，溫度的持續(xù)升高，使分子獲得更多能量來(lái)克服分子間的束縛力使電偶極距定向，此時(shí)會(huì)發(fā)生基于鏈段的偶極彈性轉(zhuǎn)向極化又使電容率再次上升。

3.3 介電強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果及分析

該FR-4電路板的擊穿強(qiáng)度與溫度的關(guān)系特性如表1所示。

表1 FR-4電路板擊穿強(qiáng)度-溫度關(guān)系特性Table 1 Relationship between dielectric intensity and temperature

本試驗(yàn)DC高壓源的最高電壓為200 kV，因此20℃以下的DC擊穿強(qiáng)度只能以擊穿電壓＞200 kV（DC電氣強(qiáng)度＞125 kV/mm）來(lái)描述。從表1中可知， FR-4的介電強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，這種現(xiàn)象是因?yàn)殡娐钒逯写嬖诿芗木酆衔锉雍蜔o(wú)機(jī)/有機(jī)界面，由于兩種介質(zhì)熱膨脹系數(shù)不同，隨著溫度上升，界面電導(dǎo)上升，界面電流增強(qiáng)，有機(jī)介質(zhì)擊穿強(qiáng)度下降。

4 結(jié)論

通過(guò)測(cè)量不同溫度下FR-4的介電性能參數(shù)，得出如下結(jié)論：

1）在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 141℃以下時(shí)，試樣的體積電導(dǎo)率隨溫度的升高而緩慢增加；超過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，由于試樣變成高彈態(tài)，其體積電導(dǎo)率隨溫度升高而呈指數(shù)律增加。

2）試樣的介電常數(shù)隨溫度的變化與試樣的形態(tài)有直接的關(guān)系。在玻璃化溫度141℃以下時(shí)，其介電常數(shù)隨溫度緩慢增加；達(dá)到玻璃化溫度以上時(shí)，介電常數(shù)急劇上升。

3）試樣中存在大量無(wú)機(jī)/有機(jī)界面。隨著溫度的上升，界面電流會(huì)增加，從而導(dǎo)致介電強(qiáng)度降低。

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