巡檢無人機微納電子材料與器件擊穿故障分析

羅敬峰

(廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

0 引言

隨著科技的高速發(fā)展，無人機巡檢技術在檢測輸電線路設備運行狀況時起到了相當關鍵的作用，減輕人員的作業(yè)負擔[1-4]。無人機不僅可以用于檢查判斷輸電線路上的重要部件損壞和運行情況，還可以在災害等應急狀態(tài)下，替代人員開展輸電線路的巡查，實現(xiàn)故障精確定位，避免出現(xiàn)視覺盲點，提高了電力設施維護和檢修的速度和效率。

巡檢無人機由大量的微納電子材料與器件組成，而制約這些微納電子材料與器件開發(fā)應用的關鍵主要有固體結構的最小尺寸、電致破壞擊穿、功率耗散、熱噪聲等因素。在高壓輸電線路巡檢應用中遇到的挑戰(zhàn)之一：在輸電線路的高壓強場環(huán)境及工作載荷下，無人機內(nèi)部微納電子材料與器件的擊穿故障問題[5]。因此，為滿足器件小型化與性能提升對材料質(zhì)量的要求，一方面需要深入研究微納電子材料的擊穿機理，另一方面努力提高材料的擊穿強度。材料擊穿是一個復雜的動力學發(fā)展過程，它不僅與材料內(nèi)部的結構特征有關，而且涉及電場、溫度場、力場等多場的相互作用。通過深入探討微納電子材料與器件的擊穿機理，才能有針對性地進行材料選擇和無人機制造，為場景應用提供參考。

1 擊穿故障機理

對于高壓輸電線路巡檢無人機而言，機內(nèi)微納電子材料與器件的電致破壞擊穿難以避免。電致破壞擊穿是指微納電子材料或器件在較強工作電場作用下，發(fā)生突然或逐漸被擊穿，形成一處或多處導電點的現(xiàn)象，從而導致材料或器件被破壞。電致破壞擊穿屬于傳統(tǒng)的物理、力學及材料問題，按照擊穿機制可劃分為熱擊穿、電機械擊穿、電擊穿[6-7]以及多機制共同作用擊穿。

1.1 熱擊穿

熱擊穿的本質(zhì)是處于電場中的材料受到焦耳熱的影響而發(fā)熱，同時又不斷向外界散熱，兩者一般處于平衡態(tài)；當外加電壓足夠高時，材料可能從熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入不平衡狀態(tài)，如果材料本身發(fā)出的熱量比其散去的熱量多，材料的溫度將會越來越高，直至出現(xiàn)永久性破壞。通常發(fā)生熱擊穿的無人機，可以在其部分失效零件中觀察到熔融燒焦的現(xiàn)象。

熱擊穿的研究歷史比較悠久，且機理單一，其特點是充分考慮了電場產(chǎn)生的焦耳熱效應，通過處理在外電場作用下材料的發(fā)熱、散熱與溫升的熱平衡關系，描述材料的熱擊穿過程。但越來越多的研究表明，上述熱擊穿機制存在很大的局限性，對低溫下的擊穿現(xiàn)象無法做出解釋，同時這一機制沒有考慮缺陷、空間電荷、應力分布等對擊穿的影響，因而在描述擊穿現(xiàn)象中必需重視電機械擊穿和電擊穿的作用。

1.2 電機械擊穿

電機械擊穿的材料擊穿特性類似于其力學變化特性。在外電場或溫度場作用下，伴隨著電應力或熱應力的產(chǎn)生，使材料內(nèi)部的殘余應力重新分布；當外加電場或溫度足夠高時，引起材料內(nèi)部的局部應力分布失去平衡，使材料發(fā)生斷裂。

這一機制雖然簡單，卻考慮了材料擊穿中電場引起的應力對擊穿的影響。但該機制假設了材料內(nèi)部電場分布是均勻的，并未考慮材料內(nèi)部的大量雜質(zhì)、缺陷及空間電荷引起的電場畸變，使電場分布不再均勻，整個擊穿過程充滿了不確定性。而對于微納電子材料，外加電場或溫度場時，其內(nèi)部的應力分布更為復雜，能極大改變材料內(nèi)部的微觀結構，使其擊穿特性更加復雜化。因此，這一機制僅僅適用于彈性模量較小、塑性形變比較明顯的材料擊穿，比如有機聚合物，而構成無人機微納電子器件的主要材料大多為無機材料，因而這類擊穿故障較為少見。然而，隨著有機材料在微納電子器件的應用越來越廣泛，電機械擊穿或?qū)⒃絹碓蕉?，需引起進一步的重視。

1.3 電擊穿

電擊穿機制比熱擊穿發(fā)展得晚，因其適用范圍更寬廣，一直都是研究的重點，但由于其擊穿現(xiàn)象比較復雜，涉及到的機理也多種多樣。電擊穿的本質(zhì)是在強電場作用下，固體中的自由電子一方面在外電場作用下被加速，獲得動能；另一方面與晶格振動相互作用，將電場能量傳遞給晶格，當電子從電場中得到的能量大于其傳給晶格振動的能量時，電子的動能會越來越大，一旦電子的能量到達一定值時，電子與晶格振動的相互作用導致電離而產(chǎn)生新的電子，使自由電子數(shù)目迅速增加并發(fā)生雪崩，電導進入不穩(wěn)定階段，使得擊穿發(fā)生。這一機制主要分為經(jīng)時絕緣擊穿和瞬時絕緣擊穿[8]。

1.3.1 經(jīng)時絕緣擊穿

經(jīng)時絕緣擊穿，即材料加上低于擊穿場強的電場后,經(jīng)過一定時間發(fā)生的擊穿。這種擊穿方式可通過測量擊穿電量、擊穿時間等大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布來表征材料與器件的可靠性，并可預測材料與器件的使用壽命。長期外加工作電壓(低壓)下的無人機內(nèi)部零件的老化擊穿通常屬于這一類。

人們很早就開始對經(jīng)過絕緣擊穿機理進行研究，普遍認為材料內(nèi)部缺陷是引起擊穿的主要原因，但對缺陷的產(chǎn)生機制仍有很大分歧。圍繞著缺陷的產(chǎn)生機制，人們提出了各種各樣的機理。

(1) 空穴擊穿機理認為電極注入的電子材料內(nèi)部發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生帶正電的空穴在電場作用下向陰極界面移動并在此被缺陷捕獲，使局部電場增強，導致材料發(fā)生破壞性擊穿。這一機理在高電場范圍與試驗數(shù)據(jù)相符合，但它無法明確地描述擊穿動力學過程，也無法解釋一些試驗現(xiàn)象。

(2) 熱化學擊穿機理假設材料的老化和擊穿是一個熱動力學過程，外加電場作用下的分子鍵獲得足夠的熱能而被破壞，形成空穴陷阱，不斷增多的陷阱最終導致?lián)舸?。這一機理在低電場范圍與試驗數(shù)據(jù)相符合，但它忽略了電流對缺陷產(chǎn)生和擊穿的影響。因此，后來提出了一種統(tǒng)一機理，即假設在足夠高的電場下，空穴的產(chǎn)生和俘獲機制占主導地位；當外加電場低于某一電場閾值時，熱化學機制成為擊穿的主要機制。

1.3.2 瞬時絕緣擊穿機理

瞬時絕緣擊穿，即材料加上臨界場強時立即發(fā)生的擊穿，瞬時絕緣擊穿可以看成是經(jīng)時絕緣擊穿的一種極限，具體劃分為以下兩種。

(1) 本征擊穿，描述的是結構完整的材料與器件發(fā)生擊穿的現(xiàn)象，反映了固體材料本身固有的絕緣性能。

(2) 非本征擊穿，描述的是與缺陷相關的擊穿現(xiàn)象，其不反應材料的固有性能，但能夠反映實際材料與器件的絕緣性能，可用于解釋在高壓工作下的無人機內(nèi)部零件的閃絡放電擊穿故障。

瞬時絕緣擊穿包括碰撞電離-雪崩擊穿機理和電子俘獲擊穿機理，前者是主流機理，其研究最為廣泛。碰撞電離-雪崩擊穿機理認為當電場增大至某一臨界值時，電子從電場獲得的能量不能被電子損失給晶格的能量(空穴漂移或復合)平衡掉，于是電子達到一種能量失穩(wěn)狀態(tài)，這些失穩(wěn)的電子引起碰撞電離，這一過程在電場作用下接連不斷地由陰極向陽極發(fā)展，形成電子雪崩，當達到某一界限時，材料即被擊穿。而電子俘獲擊穿機理則認為是由于電子陷阱俘獲電子并不斷積累，增大了陽極電場，最后達到一個臨界值時，將破壞材料內(nèi)部的分子鍵，從而產(chǎn)生新的電子陷阱并觸發(fā)了最后的失穩(wěn)擊穿過程。對比可知，碰撞電離-雪崩機理從電場作用下電子運動的能量平衡出發(fā)，充分考慮了空穴對擊穿的影響，但計算出來的臨界擊穿場強比觀測值大了整整一個數(shù)量級；而電子俘獲機理則強調(diào)了電子陷阱對擊穿的作用，認為電子陷阱是產(chǎn)生擊穿的根本原因。

1.4 多機制共同作用擊穿

在高壓強場作用下，無人機內(nèi)部微納電子材料與器件的擊穿過程是非常復雜的，僅僅用上面任何一種擊穿機制都難以全面解釋其擊穿過程，因此必須建立多種機制共同作用下的擊穿機理，來描述熱、電、力等多場作用下發(fā)生的擊穿物理現(xiàn)象。其中最常見的是碰撞電離-絲狀熱傳遞擊穿機理[9]，該機理包含了兩種擊穿機制，即由碰撞電離引起的本征雪崩擊穿過程和使材料永久性破壞的絲狀管熱傳遞過程。外加電場低于擊穿場強時，碰撞電離與電荷的復合作用處于相對平衡狀態(tài)；由于材料內(nèi)部電場不均勻，局部電流將隨著電場增大而迅速增大，形成絲狀電子通道，在通道內(nèi)，溫度迅速升高，反過來又促進電流增大，并且形成惡性循環(huán)，當局部電場變得足夠高，流經(jīng)絲狀管的電流所產(chǎn)生的焦耳熱足以引起絲狀管熔融時，材料即被擊穿。除此之外，還有研究者提出熱擊穿和電機械擊穿的聯(lián)合擊穿機理，解釋了有機聚合物的擊穿問題，但并未考慮其他因素(例如空間電荷)的影響，導致理論和試驗之間存在不少差異。

2 擊穿故障影響因素

盡管上述擊穿機理紛繁多種，且每一種機理都能夠解釋電致破壞擊穿的部分試驗現(xiàn)象，但從這些機理中仍能匯總分析出影響微納電子材料與器件擊穿的共同因素。

(1) 電極效應。構成電子元器件重要組成之一就是用于導電的電極。一般認為，電極形狀及其功函數(shù)、電極的極性及加壓方式和電子材料的電導過程密切相關，因而，選擇合適的電極，并對電子元器件的結構進行優(yōu)化，是降低無人機內(nèi)部零件擊穿場強從而減少擊穿故障發(fā)生的方法之一。

(2) 空間電荷及陷阱效應?？臻g電荷是指材料局部區(qū)域或電極與材料表面處存在凈的正電荷或負電荷，通常是由電荷的注入、電荷的入陷等作用產(chǎn)生。空間電荷對擊穿的影響主要來自材料內(nèi)部電場的強烈畸變作用，可使電極附近的局部電場增至外加電場的8 ～10 倍左右，此時，局部電場高于臨界場強，就會產(chǎn)生局部放電擊穿。目前，引起材料擊穿的究竟是負的空間電荷還是正的空間電荷，尚不明確，但不管如何，這對處于高壓強場環(huán)境下無人機內(nèi)部零件的制備工藝提出了更高的要求。

(3) 溫度效應。熱擊穿機理就是基于此建立。一般認為，材料的電導率隨溫度的升高而上升，而電場的焦耳熱又不斷使溫度升高，反過來增大電導率，直至產(chǎn)生破壞性擊穿。一般來說，擊穿場強會隨溫度的升高而下降。隨著無人機內(nèi)部零件的進一步集成化，元器件之間的散熱問題成為影響器件可靠性的關鍵因素，其擊穿機理必須要充分考慮溫度的作用，才能夠?qū)o人機內(nèi)部零件的結構設計優(yōu)化進行指導。

(4) 應力效應。在早期研究中，擊穿的應力作用常常被忽略，電機械擊穿主要是針對聚合物擊穿提出的，只是簡單地描述了電應力作用，并未被人們廣泛接受。但近幾年來，人們發(fā)現(xiàn)在材料的擊穿過程中，應力扮演了一個舉足輕重的角色，通常在高應力下，材料更容易被擊穿。高壓輸電線路的巡檢無人機在作業(yè)時經(jīng)常處于飛行狀態(tài)，飛行的不穩(wěn)定性必然會對其內(nèi)部電子材料與器件產(chǎn)生機械力的作用，從而對器件的可靠性產(chǎn)生一定的影響。因此，如何在擊穿機理中描述應力效應，是解決微納電子材料與器件可靠性問題的關鍵之一。

3 結束語

隨著巡檢無人機內(nèi)部微納電子器件的小型化和集成化，其在高壓強場工作環(huán)境下的擊穿問題變得越來越嚴峻。故障機理的研究表明，微納電子材料與器件的擊穿故障本質(zhì)上是一個多物理場的耦合問題，雖然當前已提出一些理論來解釋相應的故障或試驗數(shù)據(jù)，但擊穿理論體系仍需不斷完善，才能為微納電子材料與器件可靠性設計提供基礎。因此，建立一種融合力、電、熱等多物理場作用并且能夠用于準確分析無人機內(nèi)部零件可靠性的機制，是后續(xù)重點研究的方向。