鋁基板高壓失效因素的研究

楊 濤 王立峰（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523039）

鋁基板高壓失效因素的研究

楊 濤 王立峰
（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523039）

高壓測試作為評判鋁基板應(yīng)用當(dāng)中的一項至關(guān)重要的測試方法，對此測試方法的深入了解，有助于我們分析各類失效問題。文章我們通過高壓擊穿原理分析及鋁基板的高壓測試分析并結(jié)合實際案例中的失效因素研究分析，對各類可能影響因素進行歸納，總結(jié)出在鋁基板生產(chǎn)制作過程中可能出現(xiàn)的影響高壓擊穿測試失效的因素。

鋁基板；高壓擊穿；失效因素；電性能

1 前言

鋁基板作為特殊應(yīng)用領(lǐng)域的一種新類型材料，用于如各類照明設(shè)備、散熱設(shè)施，涉及汽車、通信、航天等領(lǐng)域。鋁基板至關(guān)重要的性能表現(xiàn)之一的高壓失效問題一直是需要特別關(guān)注與面對的，高壓直接影響到了鋁基板成品在終端應(yīng)用中的人身安全、穩(wěn)定性能，個別的高失效問題隨時都可能演變成嚴重的事件，這一點是不容忽視的。結(jié)合我們目前對所有高壓（Hi-pot）觀察到的失效現(xiàn)象、特征，以及鋁基板 Hi-pot測試電性能，總結(jié)出影響H-pot表現(xiàn)的各類影響因素，以供大家參考并解決實際生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中出現(xiàn)的問題。

2 失效因素分析方法

HI-pot的特性表現(xiàn)，首先是電學(xué)性能條件下所呈現(xiàn)出來的現(xiàn)象，并且結(jié)合鋁基板的結(jié)構(gòu)特性進行基本的電學(xué)分析，其次通過對大量的高壓失效樣品，借助切片、電鏡以及生產(chǎn)現(xiàn)場的確認，進而分析出導(dǎo)致Hi-pot失效的根本原因，并對我們所遇到失效現(xiàn)象進行合理的解釋。

3 Hi-pot電性能理論分析

在交流電壓（AC）或者直流電壓（DC）條件下，電壓分別施加于銅面和鋁面，當(dāng)漏電電流超過設(shè)定電流時，系統(tǒng)出現(xiàn)報警提示。

3.1 薄弱點擊穿特性

統(tǒng)計各類Hi-pot失效現(xiàn)象當(dāng)中，可以分為銅面中間高壓擊穿和線路邊緣擊穿兩種現(xiàn)象，如圖1所示。在以上失效模型條件下，當(dāng)板子中出現(xiàn)薄弱點時，就會發(fā)生看到的擊穿現(xiàn)象。

電流（I）=電壓（U）÷電阻（R） （1）

銅面與鋁面之間在正常情況，介質(zhì)層具有良好絕緣特性，是可以承受相應(yīng)的高壓，并在漏電流方面不超出設(shè)定的上限標準，達到穩(wěn)定的狀態(tài)。但是由于諸如金屬雜物、導(dǎo)電物質(zhì)等因素，導(dǎo)致介質(zhì)層的有效絕緣性能下降，對應(yīng)的有效介質(zhì)層厚度減小，局部位置出現(xiàn)相對薄弱點，所有擊穿問題發(fā)生時，會優(yōu)先在這種薄弱點位置出現(xiàn)，這就是Hi-pot測試薄弱點特性。

圖1

3.2 鋁基板的電容特性

Hi-pot測試過程當(dāng)中，銅面與鋁基面之間形成電容的特性，中間介質(zhì)為高導(dǎo)熱樹脂介電層，測試當(dāng)中也存在電容的充、放電特征。如下理論條件下形成的電容，以及電容的電壓、電流、時間的對應(yīng)關(guān)系。

鋁基板電容值計算如下：

ε—介質(zhì)層介電常數(shù)，S——極板面積，d——極板間距

施加電壓后，銅面與鋁基面的電容在充、放電過程當(dāng)中，形成電荷的遷移，進而形成電流，根據(jù)UC=It的電性關(guān)系，電極接通到充電完成并穩(wěn)定，漏電電流如下所示：

從以上理論分析，我們可以得出，當(dāng)HI-pot測試時，電壓從0到目標值的升降過程中所花費的時間，對瞬間漏電流的影響非常大，這一時間非常短時，可以產(chǎn)生非常大的瞬間電流，這種瞬間電流具有極大的破壞性，可能直接導(dǎo)致介質(zhì)層的損傷與擊穿，還可能在后續(xù)的生產(chǎn)制作當(dāng)中存在性能及多次電壓擊穿的風(fēng)險。

因此，我們需要盡可能的避免這種瞬間大電流的出現(xiàn)，可以通過示波器等儀器來確認監(jiān)控測試過程的穩(wěn)定性。

4 Hi-pot失效因素研究

常見能夠引起鋁基板在應(yīng)用當(dāng)中的高壓失效因素，可以分為以下幾個類型因素。

表1 失效因素

4.1 介質(zhì)層雜物

當(dāng)介質(zhì)層中存在雜物時，測試電壓兩極間的有效間距被動減小，或者由于雜物的存在，導(dǎo)致兩極間的直接導(dǎo)通，產(chǎn)生瞬間的高電流，超出設(shè)定的最大漏電流上限。圖2這種雜物可以是金屬物質(zhì)、碳化物、纖維等形態(tài)存在。［2］

圖2 介質(zhì)層雜物示意

如下實際分析案例，結(jié)合對雜物的元素分析，以及切片當(dāng)中觀察到的雜物形態(tài)，進而追溯雜物的來源。

針對切片當(dāng)中觀察到的顆粒狀的物質(zhì)分析主要以“Ti”元素為主（圖3），生產(chǎn)過程當(dāng)中只有鋁板表面處理使用夾具以“Ti”元素為主。

圖3 鈦雜物分析

結(jié)合介質(zhì)層在凹陷位置的浸潤狀態(tài)，分析鋁面本身已經(jīng)受損凹陷了，這可以追溯到前工序涉及產(chǎn)生銅屑顆粒的環(huán)節(jié)（圖4）。

圖4 銅顆粒雜物

4.2 離子污染

外來導(dǎo)電離子的引入，會直接導(dǎo)致電極的正負極間導(dǎo)通，形成瞬間大電流而擊穿（圖5），這種情況下介質(zhì)層本身沒有出現(xiàn)擊穿的問題，常見的有V-Cut槽、有足夠工藝邊余量的板邊區(qū)域等。

圖5 離子污染示意

高壓測試當(dāng)中出現(xiàn)部分V-cut槽位置擊穿問題，但是在高壓測試時會出現(xiàn)報警導(dǎo)通問題，如圖6所示的V-cut位置。

圖6 V-Cut位置的離子污染

目視整個板面沒有明顯失效點，但是在槽型位置存在放電燒糊的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能的主要原因是槽型位置存在污染進而導(dǎo)致銅面與鋁基導(dǎo)通產(chǎn)生放電。同時也不排除加工邊緣由于刀具的因素存在較為粗糙的銅絲或鋁屑導(dǎo)致連通。

4.3 外力損傷

在外力的作用下，導(dǎo)致介質(zhì)層損傷，高壓測試出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，這類現(xiàn)象部分表現(xiàn)為定點定位，具有規(guī)律性的特征，可能批量性的出現(xiàn)；也存在一些偶然性的外力損傷，造成銅面或介質(zhì)層破損，更嚴重的直接導(dǎo)致銅面與鋁面的連通。如圖7所示外力損傷實際案例。

4.3.1 銅面戳傷

圖7 銅面戳傷樣品

以上銅面戳傷樣品，直接來看沒有明顯特征，分析過程中將鋁面腐蝕掉來看，發(fā)現(xiàn)擊穿點，進一步切片觀察，確認銅箔面有明顯的外力尖銳物質(zhì)戳傷的現(xiàn)象。

4.3.2 定位損傷

定位損傷來源于生產(chǎn)制程當(dāng)中，機械、設(shè)備或者人員的規(guī)律性異常，導(dǎo)致固定點或線位置遭受外力沖擊產(chǎn)生損傷，在高壓失效方面就表現(xiàn)為定位規(guī)律性擊穿。

如圖8所示的固定位置高壓擊穿現(xiàn)象，在固定的焊盤點出現(xiàn)了一模一樣的Hi-pot失效。每塊板都是固定位置的失效，并且失效點位于同一條直線上。

針對失效點的切片如圖8。

圖8 板子正反面擊穿點對應(yīng)關(guān)系

固定位置，同一直線上的焊盤出現(xiàn)擊穿。鋁面壓痕明顯，對應(yīng)位置可以看到明顯的彎曲變形，可以判定是在外力條件下導(dǎo)致。上圖的對應(yīng)測量，失效點距板邊的距離為6.65 cm，而對應(yīng)的鋁面壓痕距離板邊的距離為6.6 cm。

圖9 焊盤擊穿點

失效位于線路邊緣，介質(zhì)層擊穿裂開，對于裂開位置，分析在外力作用下，對應(yīng)點介質(zhì)層已經(jīng)存在了損傷問題。綜合以上現(xiàn)象，該定點定位的高壓失效原因是在規(guī)律性的外力作用下，導(dǎo)致對應(yīng)焊盤點損傷而產(chǎn)生，具體產(chǎn)生環(huán)節(jié)，結(jié)合整個流程的追溯來看，應(yīng)該是PCB銑切或V-CUT環(huán)節(jié)導(dǎo)致的。

表2 設(shè)計結(jié)構(gòu)影響

圖10 大銅面及線路間距過小

圖11 銅面與板邊鋁間距過小

4.4 設(shè)計結(jié)構(gòu)

對于PCB生產(chǎn)的新的料號訂單當(dāng)中，經(jīng)常出現(xiàn)高比例的高壓失效問題，比例從10%～100%不等，這類現(xiàn)象經(jīng)確認，主要與板子的設(shè)計結(jié)構(gòu)有關(guān)系，主要有以下列表幾個方面的影響。

以上影響高壓表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性因素，根據(jù)初次生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中的測試表現(xiàn)可以直接的識別出來，這種情況通過線路和板子設(shè)計的調(diào)整可以進行改善。

4.5 空洞

介質(zhì)層當(dāng)中存在空洞時，同樣會減少有效介質(zhì)層厚度，導(dǎo)致電極的間距減小，根據(jù)電性能的分析情況，I=UC/t=ε*U*S/（dt），有效間距的減少，直接導(dǎo)致瞬間電流的增加，承受耐壓的能力降低。如圖12所示典型空洞現(xiàn)象。

圖12 空洞示意及切片觀察

4.6 介質(zhì)層偏薄

介質(zhì)層的厚度直接決定了耐壓能力情況，隨著介質(zhì)層厚度的提高，耐壓能力也會逐步的提高，同樣規(guī)格的鋁基板，做常規(guī)使用的型號，高壓失效突然呈現(xiàn)異常比例，約12%以上，通過測量來看，介質(zhì)層厚度方面存在明顯的下限臨界狀態(tài)，如圖13所示。

100 μm的介質(zhì)層厚度，實際測試介質(zhì)層厚度平均只有83 μm左右，而在4200 V的高壓條件下，出現(xiàn)超過10%以上的高壓擊穿問題。而通過調(diào)整介質(zhì)層厚度，保持在100 μm±5的水平時，同樣條件下，高壓表現(xiàn)良好。

圖13 介厚偏薄的擊穿分析

表3 不同配方耐壓性能差異

4.7 材料性能不足

材料配方性能的不同，在耐壓性能方面也會存在明顯的差異，這一點可以從同等條件下的測試結(jié)果來看是否能夠滿足PCB設(shè)計及應(yīng)用的要求。如表3不同材料配方的表現(xiàn)。

4.8 裂紋

裂紋模型的本質(zhì)與外力損傷以及部分特征的空洞有異曲同工之效，其產(chǎn)生的主要原因也是在外力，如撞傷、機械沖擊等作用下出現(xiàn)的介質(zhì)層損傷現(xiàn)象，以及嚴重事故條件下形成的開裂現(xiàn)象。

4.9 設(shè)備異常

根據(jù)對MCCL電容特性分析，在施加電壓過程中可能會出現(xiàn)失控的升降壓，這一過程當(dāng)中由于短時間內(nèi)的電壓劇烈波動，導(dǎo)致失控的瞬間電流出現(xiàn)，大電流作用下會極大的增加Hi-pot失效概率與后續(xù)應(yīng)用的品質(zhì)，因此，這方面需要對測試設(shè)備本身存在的異常進行功能校正。

如用示波器監(jiān)控過程中發(fā)現(xiàn)的問題，升壓時出現(xiàn)瞬間大電流，緩慢降壓過程沒有出現(xiàn)大電流。

5 總結(jié)

HI-pot失效問題是我們鋁基板生產(chǎn)加工過程當(dāng)中必須要嚴加管控，尤其是涉及到公眾人身安全等方面的產(chǎn)品，諸如戶外照明、室內(nèi)照明及其他觸手可及的地方。而對于Hi-pot測試當(dāng)中的擊穿問題，我們可以參照以上分析的各類失效模型，結(jié)合切片、電鏡、生產(chǎn)前后的對比等技術(shù)手段進行原因的追溯，以便更好的進行預(yù)防和改善。

（1）Hi-pot測試存在明顯的電容充放電的特性，而這一特性在特定的設(shè)備當(dāng)中表現(xiàn)為瞬間電流和漏電流的特性，其中瞬間電流均有較大的破壞性，因此需要盡可能的通過逐步的升降壓來避免；而漏電流則是我們目前常見的判斷高壓表現(xiàn)的直接依據(jù)，超出設(shè)定上限，即認為高壓擊穿失效。

（2）Hi-pot失效因素分析當(dāng)中，通過實際的失效案例進行因素歸類，涵蓋了我們可能遇到的各種類型的失效特征，并對應(yīng)尋找根本的因素，為Hi-pot失效的預(yù)防與改進提供參考。

［1］陳偉杰. Hi-pot測試探討［C］. 第十五屆中國覆銅板技術(shù)·市場研討會暨覆銅板產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新國際論壇論文集.

［2］張玉新. 應(yīng)用6-σ方法分析薄型覆銅板Hi-pot試驗失敗原因與改進方案［C］. 印制電路信息， 2006，12.

楊濤，工程師，從事覆銅板行業(yè)相關(guān)的應(yīng)用與研究。

Study on failure factors of MCCL hi-pot

YANG Tao WANG Li-feng

Hi-pot testing is a crucial test method for MCCL judgment and its well understanding can help us to analyze all types of failure problems. In this paper， we have analyzed Hi-pot theory and Hi-pot test analysis of MCCL and combined factors of the actual failure cases to generalize all the possible factors. Then we summed up possible failure factors of Hi-pot test during the production processes.

MCCL； Hi-Pot； Failure Factors； Electrical Properties

TN41

：A

：1009-0096（2015）10-0034-05