劉立國(guó) 韓愛(ài)芳 賈 燕

（江南計(jì)算技術(shù)研究所印制板質(zhì)量檢測(cè)中心，江蘇 無(wú)錫 214083）

由于航空航天電子產(chǎn)品常常處在低氣壓的工作環(huán)境中，因此早在80年代國(guó)軍標(biāo)就專(zhuān)門(mén)制定了GJB150.2-86《低氣壓（高度）試驗(yàn)》軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法，針對(duì)印制板的使用，航天部門(mén)又在90年代制定的印制電路板通用規(guī)范中專(zhuān)門(mén)制定了低氣壓條件下耐電壓測(cè)試的方法與規(guī)范，其要求見(jiàn)表1所示。

表1 PCB耐電壓性能試驗(yàn)方法

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，民用航空業(yè)、高海拔地區(qū)的通信設(shè)施等產(chǎn)品印制板用量也大大增加，并且由于印制板高密度化、介質(zhì)層厚度的薄型化趨勢(shì)，因此，低氣壓條件下的耐電壓性能也應(yīng)引起一定的關(guān)注。

1 氣壓條件與耐電壓的理論關(guān)系

所謂低氣壓是指低于海平面常壓的氣壓。從物理知識(shí)中我們知道，氣壓與海拔有著密切的關(guān)系，空氣在地球引力的作用下，具有一定的質(zhì)量，離地球表面越遠(yuǎn)（即海拔越高），氣壓越低。在標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)，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(shù)，在空氣中為0.110 V/cm pa；

B——系數(shù)，在空氣中為2.744 /cm pa；

P——大氣壓，pa；

d——導(dǎo)線(xiàn)間距，cm；

γ——電極系數(shù)，0.025 cm。

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

1889年，帕邢總結(jié)了大量的試驗(yàn)結(jié)果，研究提出：對(duì)一定的電極和一定的氣體，擊穿電壓Us取決于氣體壓強(qiáng)P與電極間距離d兩者的乘積Pd，Us≈f(Pd)，函數(shù)f的曲線(xiàn)向上凹，有一極小值，這一曲線(xiàn)圖稱(chēng)為帕邢定律（帕邢曲線(xiàn)圖）。

圖1 帕邢曲線(xiàn)圖

從表達(dá)式中可以看出，耐電壓值Us是大氣壓P與導(dǎo)線(xiàn)間距d乘積的函數(shù)。Us與Pd成正比。帕邢定律基本上表達(dá)了低氣壓條件下介質(zhì)耐電壓和氣壓、電極間距的關(guān)系，為我們對(duì)印制電路板的耐電壓測(cè)試研究提供了理論基礎(chǔ)。

3 低氣壓試驗(yàn)與耐電性能測(cè)試

3.1 低氣壓下介質(zhì)耐電壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試規(guī)劃

目前，印制板產(chǎn)品的介質(zhì)耐電壓試驗(yàn)主要以相鄰的導(dǎo)電圖形（主要指導(dǎo)線(xiàn)）為對(duì)象進(jìn)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(yàn)圖形一般制作為梳狀圖形。參考GJB150.2 《低氣壓（高度）試驗(yàn)》和航天標(biāo)準(zhǔn)QJ201A《印制電路板通用規(guī)范》及QJ519A《印制電路板試驗(yàn)方法》的試驗(yàn)方法，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的測(cè)試圖形板如圖2所示，線(xiàn)間距分別為0.1 mm、0.15 mm和0.2 mm。

圖2 梳狀測(cè)試圖形

3.2 試樣的制備

按航天工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ519A-99第5.5.4款之規(guī)定，在試驗(yàn)前對(duì)所有試樣表面用無(wú)水乙醇清洗干凈，并自然晾干，對(duì)做電性能試驗(yàn)的試驗(yàn)件，應(yīng)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(cè)的成品板上，選取如圖3所示線(xiàn)間距分別為0.1 mm和0.2 mm兩種試樣板焊接引線(xiàn)。

圖3 實(shí)驗(yàn)樣品板

為防止低氣壓試驗(yàn)過(guò)程中氣體泄漏，確保低氣壓試驗(yàn)?zāi)軡M(mǎn)足1.6 kPa大氣壓的壓力要求。實(shí)驗(yàn)前設(shè)計(jì)加工圖4所示的專(zhuān)用“法蘭盤(pán)”接口。

圖4 環(huán)氧樹(shù)脂灌封后的法蘭盤(pán)

3.3 低氣壓試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

（1）低氣壓試驗(yàn)的分段。

低氣壓試驗(yàn)共分6個(gè)氣壓測(cè)試點(diǎn)，分別是：100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa。

（2）溫度試驗(yàn)的分段。

溫度共分3個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)，分別是：-55 ℃、+30 ℃、+100 ℃。

試樣種類(lèi)：共為4種：

①介質(zhì)耐電壓試驗(yàn)1號(hào)試樣線(xiàn)間距為0.1 mm；

②介質(zhì)耐電壓試驗(yàn)2號(hào)試樣線(xiàn)間距為0.2 mm；

（3）氣壓與溫度對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)。

每一段溫度對(duì)應(yīng)6段氣壓，分別測(cè)試介質(zhì)耐電壓和互連電阻的1號(hào)、2號(hào)試樣，共采集數(shù)據(jù)72個(gè)。

（4）試驗(yàn)步驟及測(cè)試順序。

①試驗(yàn)溫度從30 ℃開(kāi)始，氣壓從100 kPa降序進(jìn)行試驗(yàn)。即：溫度在30 ℃時(shí)，分別測(cè)試氣壓在100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa時(shí)的數(shù)據(jù)。溫度在100 ℃時(shí)，分別測(cè)試氣壓在100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa時(shí)的數(shù)據(jù)。溫度在-55 ℃時(shí)，分別測(cè)試氣壓在100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa時(shí)的數(shù)據(jù)。

②試驗(yàn)在每段氣壓穩(wěn)定20 min后，將介質(zhì)耐電壓1號(hào)、2號(hào)試樣的測(cè)試數(shù)據(jù)填表。

③試驗(yàn)時(shí)間概算：若每種試樣測(cè)試記錄按1分鐘計(jì)算，每段降壓時(shí)間為38 min，穩(wěn)定20 min，則：每一溫度、每一氣壓段降壓和測(cè)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(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖5是樣品板線(xiàn)間距d分別為0.1 mm、0.2 mm，試驗(yàn)溫度100 ℃、30 ℃、-55 ℃分別對(duì)應(yīng)100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa氣壓下的介質(zhì)耐電壓測(cè)試數(shù)據(jù)圖形。

從圖5中我們可以看出：

（1）介質(zhì)耐電壓值V和氣壓大小成正比，隨氣壓的降低而減小，線(xiàn)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(zhì)耐電壓降低大約12 V；

（2）介質(zhì)耐電壓值V和線(xiàn)間距成正比，隨線(xiàn)間距的減小而減小。

（3）介質(zhì)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(xiàn)間介質(zhì)耐電壓實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)按如下條件進(jìn)行表5所示的介質(zhì)耐電壓測(cè)試：

（1）溫度常溫（30 ℃）；

（2）相對(duì)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(xiàn)間距：1號(hào)為0.261 mm，2號(hào)為0.610 mm。

圖5 介質(zhì)耐電壓試驗(yàn)曲線(xiàn)圖

圖6 溫度30℃、氣壓 1.6kPa～10kPa時(shí)的介質(zhì)耐電壓測(cè)試統(tǒng)計(jì)圖

表2 1.6kPa～10kPa介質(zhì)耐電壓測(cè)試值

通過(guò)更低的氣壓實(shí)驗(yàn)使我們進(jìn)一步驗(yàn)證了PCB兩線(xiàn)間的介質(zhì)耐電壓隨氣壓、間距、溫度變化的理論和變化趨勢(shì)。并搞清楚了產(chǎn)生拐點(diǎn)的原因（見(jiàn)圖1、圖6拐點(diǎn)左半部分），即在氣壓極低時(shí)，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(zhǎng)，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(huì)很高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上試驗(yàn)與測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，我們可以得出以下結(jié)論。

（1）在空氣中，介質(zhì)耐電壓值Us和氣壓P大小成正比，隨氣壓的降低而減?。ㄒ?jiàn)表3和圖7）。

表3 介質(zhì)耐電壓與氣壓趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)表

圖7 介質(zhì)耐電壓與氣壓趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)圖

PCB兩線(xiàn)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(zhì)耐電壓降低大約12 V；在10000米高空（民用飛機(jī)飛行的一般高度）的介質(zhì)耐電壓僅為常壓時(shí)的四分之一；在20000 m高空（軍用偵察機(jī)飛行的一般高度）的介質(zhì)耐電壓僅為常壓時(shí)的五分之一；當(dāng)氣壓從常壓降到4.6 kPa（理論值，實(shí)際值會(huì)因條件的不同有所不同）空氣接近真空，介質(zhì)耐電壓達(dá)到最低值；當(dāng)氣壓再次降低時(shí)，介質(zhì)耐電壓則產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)并迅速升高。

（2）介質(zhì)耐電壓值Us和線(xiàn)間距成正比，隨線(xiàn)間距的減小而減?。ㄒ?jiàn)表4和圖8）。

圖8 低氣壓下線(xiàn)間距和介質(zhì)耐電壓關(guān)系圖

圖8是常溫下、大氣壓在20 kPa ～ 100 kPa時(shí)，線(xiàn)間距0.1 mm ～ 0.6 mm的耐電壓圖。導(dǎo)線(xiàn)間距每減小0.1 mm，在常壓下：其介質(zhì)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(zhì)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(zhì)耐電壓減小約58 V左右。

表4 介質(zhì)耐電壓與間距統(tǒng)計(jì)表

圖9 介質(zhì)耐電壓與溫度變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)圖

表5 介質(zhì)耐電壓與溫度變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)表

（3）介質(zhì)耐電壓值Us和溫度成反比，隨溫度的升高而減?。ㄒ?jiàn)表5和圖9）。

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

[2]QJ201A 印制電路板通用規(guī)范.

[3]QJ519A 印制電路板試驗(yàn)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(yàn)方法.