印制電路板低氣壓條件下的耐電壓測試

劉立國 韓愛芳 賈 燕

（江南計算技術研究所印制板質量檢測中心，江蘇 無錫 214083）

由于航空航天電子產品常常處在低氣壓的工作環(huán)境中，因此早在80年代國軍標就專門制定了GJB150.2-86《低氣壓（高度）試驗》軍用設備環(huán)境試驗方法，針對印制板的使用，航天部門又在90年代制定的印制電路板通用規(guī)范中專門制定了低氣壓條件下耐電壓測試的方法與規(guī)范，其要求見表1所示。

表1 PCB耐電壓性能試驗方法

近年來，隨著我國經濟的快速發(fā)展，民用航空業(yè)、高海拔地區(qū)的通信設施等產品印制板用量也大大增加，并且由于印制板高密度化、介質層厚度的薄型化趨勢，因此，低氣壓條件下的耐電壓性能也應引起一定的關注。

1 氣壓條件與耐電壓的理論關系

所謂低氣壓是指低于海平面常壓的氣壓。從物理知識中我們知道，氣壓與海拔有著密切的關系，空氣在地球引力的作用下，具有一定的質量，離地球表面越遠（即海拔越高），氣壓越低。在標準狀況下，每升高100米，氣壓降低1 kPa。每升高1000米，溫度則下降大約6 ℃。而在同一高度上的大氣壓又隨地理緯度的增加而降低，在1 km ～ 5 km范圍內，遞減率一般為10 kPa/km。

式中：Us——低氣壓條件下的耐電壓值，V；

A——系數，在空氣中為0.110 V/cm pa；

B——系數，在空氣中為2.744 /cm pa；

P——大氣壓，pa；

d——導線間距，cm；

γ——電極系數，0.025 cm。

介質隨氣壓變化的耐電壓關系稱為帕邢定律，用公式（1）表示，其中A和B為常數，γ表示一個正離子撞擊陰極表面時平均從陰極表面逸出的電子數目（二次電子發(fā)射）。

1889年，帕邢總結了大量的試驗結果，研究提出：對一定的電極和一定的氣體，擊穿電壓Us取決于氣體壓強P與電極間距離d兩者的乘積Pd，Us≈f(Pd)，函數f的曲線向上凹，有一極小值，這一曲線圖稱為帕邢定律（帕邢曲線圖）。

圖1 帕邢曲線圖

從表達式中可以看出，耐電壓值Us是大氣壓P與導線間距d乘積的函數。Us與Pd成正比。帕邢定律基本上表達了低氣壓條件下介質耐電壓和氣壓、電極間距的關系，為我們對印制電路板的耐電壓測試研究提供了理論基礎。

3 低氣壓試驗與耐電性能測試

3.1 低氣壓下介質耐電壓試驗設計與測試規(guī)劃

目前，印制板產品的介質耐電壓試驗主要以相鄰的導電圖形（主要指導線）為對象進行，以考察材料（主要是覆箔層壓板和涂覆材料）和制程的可靠性，其試驗圖形一般制作為梳狀圖形。參考GJB150.2 《低氣壓（高度）試驗》和航天標準QJ201A《印制電路板通用規(guī)范》及QJ519A《印制電路板試驗方法》的試驗方法，本次實驗設計的測試圖形板如圖2所示，線間距分別為0.1 mm、0.15 mm和0.2 mm。

圖2 梳狀測試圖形

3.2 試樣的制備

按航天工業(yè)標準QJ519A-99第5.5.4款之規(guī)定，在試驗前對所有試樣表面用無水乙醇清洗干凈，并自然晾干，對做電性能試驗的試驗件，應在85 ℃下烘干2 h后，再在正常大氣壓條件下放置24 h。在被測的成品板上，選取如圖3所示線間距分別為0.1 mm和0.2 mm兩種試樣板焊接引線。

圖3 實驗樣品板

為防止低氣壓試驗過程中氣體泄漏，確保低氣壓試驗能滿足1.6 kPa大氣壓的壓力要求。實驗前設計加工圖4所示的專用“法蘭盤”接口。

圖4 環(huán)氧樹脂灌封后的法蘭盤

3.3 低氣壓試驗方案的設計

（1）低氣壓試驗的分段。

低氣壓試驗共分6個氣壓測試點，分別是：100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa。

（2）溫度試驗的分段。

溫度共分3個溫度測試點，分別是：-55 ℃、+30 ℃、+100 ℃。

試樣種類：共為4種：

①介質耐電壓試驗1號試樣線間距為0.1 mm；

②介質耐電壓試驗2號試樣線間距為0.2 mm；

（3）氣壓與溫度對應的測試點。

每一段溫度對應6段氣壓，分別測試介質耐電壓和互連電阻的1號、2號試樣，共采集數據72個。

（4）試驗步驟及測試順序。

①試驗溫度從30 ℃開始，氣壓從100 kPa降序進行試驗。即：溫度在30 ℃時，分別測試氣壓在100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa時的數據。溫度在100 ℃時，分別測試氣壓在100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa時的數據。溫度在-55 ℃時，分別測試氣壓在100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa時的數據。

②試驗在每段氣壓穩(wěn)定20 min后，將介質耐電壓1號、2號試樣的測試數據填表。

③試驗時間概算：若每種試樣測試記錄按1分鐘計算，每段降壓時間為38 min，穩(wěn)定20 min，則：每一溫度、每一氣壓段降壓和測試共需60 min（2＋38＋20）。一種溫度6段氣壓需6 h，三種溫度共需18 h。

3.4 試驗結果及數據統(tǒng)計

圖5是樣品板線間距d分別為0.1 mm、0.2 mm，試驗溫度100 ℃、30 ℃、-55 ℃分別對應100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa氣壓下的介質耐電壓測試數據圖形。

從圖5中我們可以看出：

（1）介質耐電壓值V和氣壓大小成正比，隨氣壓的降低而減小，線間距在0.2 mm的情況下，海拔高度每上升100米（大氣壓每降低1 kPa），其介質耐電壓降低大約12 V；

（2）介質耐電壓值V和線間距成正比，隨線間距的減小而減小。

（3）介質耐電壓值V和溫度成反比，隨溫度的升高而減小。

3.5 10 kPa以下氣壓PCB兩線間介質耐電壓實驗

試驗按如下條件進行表5所示的介質耐電壓測試：

（1）溫度常溫（30 ℃）；

（2）相對濕度68%RH；

（3）低氣壓分為7段，分別是：8 kPa、7 kPa、6 kPa、5 kPa、4 kPa、3 kPa、1.6 kPa；

（4）線間距：1號為0.261 mm，2號為0.610 mm。

圖5 介質耐電壓試驗曲線圖

圖6 溫度30℃、氣壓 1.6kPa～10kPa時的介質耐電壓測試統(tǒng)計圖

表2 1.6kPa～10kPa介質耐電壓測試值

通過更低的氣壓實驗使我們進一步驗證了PCB兩線間的介質耐電壓隨氣壓、間距、溫度變化的理論和變化趨勢。并搞清楚了產生拐點的原因（見圖1、圖6拐點左半部分），即在氣壓極低時，高真空電擊穿由于高真空狀態(tài)下氣體密度減少到很小的程度，電子或離子的自由程將很長，以致在間隙中不易發(fā)生碰撞電離，因此間隙的擊穿電壓將會很高。

4 結語

通過以上試驗與測試數據的統(tǒng)計分析，我們可以得出以下結論。

（1）在空氣中，介質耐電壓值Us和氣壓P大小成正比，隨氣壓的降低而減?。ㄒ姳?和圖7）。

表3 介質耐電壓與氣壓趨勢統(tǒng)計表

圖7 介質耐電壓與氣壓趨勢統(tǒng)計圖

PCB兩線間間距在0.2 mm的情況下，大氣壓每降低1 kPa、海拔高度每上升100 m、其介質耐電壓降低大約12 V；在10000米高空（民用飛機飛行的一般高度）的介質耐電壓僅為常壓時的四分之一；在20000 m高空（軍用偵察機飛行的一般高度）的介質耐電壓僅為常壓時的五分之一；當氣壓從常壓降到4.6 kPa（理論值，實際值會因條件的不同有所不同）空氣接近真空，介質耐電壓達到最低值；當氣壓再次降低時，介質耐電壓則產生翻轉并迅速升高。

（2）介質耐電壓值Us和線間距成正比，隨線間距的減小而減?。ㄒ姳?和圖8）。

圖8 低氣壓下線間距和介質耐電壓關系圖

圖8是常溫下、大氣壓在20 kPa ～ 100 kPa時，線間距0.1 mm ～ 0.6 mm的耐電壓圖。導線間距每減小0.1 mm，在常壓下：其介質耐電壓減小約400 V左右；在20 kPa氣壓（海拔高度11 500 m）其介質耐電壓減小約100 V左右；在10 kPa氣壓（海拔高度16 000 m），其介質耐電壓減小約58 V左右。

表4 介質耐電壓與間距統(tǒng)計表

圖9 介質耐電壓與溫度變化趨勢統(tǒng)計圖

表5 介質耐電壓與溫度變化趨勢統(tǒng)計表

（3）介質耐電壓值Us和溫度成反比，隨溫度的升高而減?。ㄒ姳?和圖9）。

[1]GJB150.2 軍用設備環(huán)境試驗方法:低氣壓(高度)試驗.

[2]QJ201A 印制電路板通用規(guī)范.

[3]QJ519A 印制電路板試驗方法.

[4]QJ 831A-98 航天用多層印制電路板通用規(guī)范.

[5]QJ 832A-98 航天用多層印制電路板試驗方法.