印制电路板低气压条件下的耐电压测试

刘立国 韩爱芳 贾 燕

（江南计算技术研究所印制板质量检测中心，江苏 无锡 214083）

由于航空航天电子产品常常处在低气压的工作环境中，因此早在80年代国军标就专门制定了GJB150.2-86《低气压（高度）试验》军用设备环境试验方法，针对印制板的使用，航天部门又在90年代制定的印制电路板通用规范中专门制定了低气压条件下耐电压测试的方法与规范，其要求见表1所示。

表1 PCB耐电压性能试验方法

近年来，随着我国经济的快速发展，民用航空业、高海拔地区的通信设施等产品印制板用量也大大增加，并且由于印制板高密度化、介质层厚度的薄型化趋势，因此，低气压条件下的耐电压性能也应引起一定的关注。

1 气压条件与耐电压的理论关系

所谓低气压是指低于海平面常压的气压。从物理知识中我们知道，气压与海拔有着密切的关系，空气在地球引力的作用下，具有一定的质量，离地球表面越远（即海拔越高），气压越低。在标准状况下，每升高100米，气压降低1 kPa。每升高1000米，温度则下降大约6 ℃。而在同一高度上的大气压又随地理纬度的增加而降低，在1 km ～ 5 km范围内，递减率一般为10 kPa/km。

式中：Us——低气压条件下的耐电压值，V；

A——系数，在空气中为0.110 V/cm pa；

B——系数，在空气中为2.744 /cm pa；

P——大气压，pa；

d——导线间距，cm；

γ——电极系数，0.025 cm。

介质随气压变化的耐电压关系称为帕邢定律，用公式（1）表示，其中A和B为常数，γ表示一个正离子撞击阴极表面时平均从阴极表面逸出的电子数目（二次电子发射）。

1889年，帕邢总结了大量的试验结果，研究提出：对一定的电极和一定的气体，击穿电压Us取决于气体压强P与电极间距离d两者的乘积Pd，Us≈f(Pd)，函数f的曲线向上凹，有一极小值，这一曲线图称为帕邢定律（帕邢曲线图）。

图1 帕邢曲线图

从表达式中可以看出，耐电压值Us是大气压P与导线间距d乘积的函数。Us与Pd成正比。帕邢定律基本上表达了低气压条件下介质耐电压和气压、电极间距的关系，为我们对印制电路板的耐电压测试研究提供了理论基础。

3 低气压试验与耐电性能测试

3.1 低气压下介质耐电压试验设计与测试规划

目前，印制板产品的介质耐电压试验主要以相邻的导电图形（主要指导线）为对象进行，以考察材料（主要是覆箔层压板和涂覆材料）和制程的可靠性，其试验图形一般制作为梳状图形。参考GJB150.2 《低气压（高度）试验》和航天标准QJ201A《印制电路板通用规范》及QJ519A《印制电路板试验方法》的试验方法，本次实验设计的测试图形板如图2所示，线间距分别为0.1 mm、0.15 mm和0.2 mm。

图2 梳状测试图形

3.2 试样的制备

按航天工业标准QJ519A-99第5.5.4款之规定，在试验前对所有试样表面用无水乙醇清洗干净，并自然晾干，对做电性能试验的试验件，应在85 ℃下烘干2 h后，再在正常大气压条件下放置24 h。在被测的成品板上，选取如图3所示线间距分别为0.1 mm和0.2 mm两种试样板焊接引线。

图3 实验样品板

为防止低气压试验过程中气体泄漏，确保低气压试验能满足1.6 kPa大气压的压力要求。实验前设计加工图4所示的专用“法兰盘”接口。

图4 环氧树脂灌封后的法兰盘

3.3 低气压试验方案的设计

（1）低气压试验的分段。

低气压试验共分6个气压测试点，分别是：100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa。

（2）温度试验的分段。

温度共分3个温度测试点，分别是：-55 ℃、+30 ℃、+100 ℃。

试样种类：共为4种：

①介质耐电压试验1号试样线间距为0.1 mm；

②介质耐电压试验2号试样线间距为0.2 mm；

（3）气压与温度对应的测试点。

每一段温度对应6段气压，分别测试介质耐电压和互连电阻的1号、2号试样，共采集数据72个。

（4）试验步骤及测试顺序。

①试验温度从30 ℃开始，气压从100 kPa降序进行试验。即：温度在30 ℃时，分别测试气压在100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa时的数据。温度在100 ℃时，分别测试气压在100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa时的数据。温度在-55 ℃时，分别测试气压在100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa时的数据。

②试验在每段气压稳定20 min后，将介质耐电压1号、2号试样的测试数据填表。

③试验时间概算：若每种试样测试记录按1分钟计算，每段降压时间为38 min，稳定20 min，则：每一温度、每一气压段降压和测试共需60 min（2＋38＋20）。一种温度6段气压需6 h，三种温度共需18 h。

3.4 试验结果及数据统计

图5是样品板线间距d分别为0.1 mm、0.2 mm，试验温度100 ℃、30 ℃、-55 ℃分别对应100 kPa、70 kPa、40 kPa、25 kPa、16.5 kPa、10 kPa气压下的介质耐电压测试数据图形。

从图5中我们可以看出：

（1）介质耐电压值V和气压大小成正比，随气压的降低而减小，线间距在0.2 mm的情况下，海拔高度每上升100米（大气压每降低1 kPa），其介质耐电压降低大约12 V；

（2）介质耐电压值V和线间距成正比，随线间距的减小而减小。

（3）介质耐电压值V和温度成反比，随温度的升高而减小。

3.5 10 kPa以下气压PCB两线间介质耐电压实验

试验按如下条件进行表5所示的介质耐电压测试：

（1）温度常温（30 ℃）；

（2）相对湿度68%RH；

（3）低气压分为7段，分别是：8 kPa、7 kPa、6 kPa、5 kPa、4 kPa、3 kPa、1.6 kPa；

（4）线间距：1号为0.261 mm，2号为0.610 mm。

图5 介质耐电压试验曲线图

图6 温度30℃、气压 1.6kPa～10kPa时的介质耐电压测试统计图

表2 1.6kPa～10kPa介质耐电压测试值

通过更低的气压实验使我们进一步验证了PCB两线间的介质耐电压随气压、间距、温度变化的理论和变化趋势。并搞清楚了产生拐点的原因（见图1、图6拐点左半部分），即在气压极低时，高真空电击穿由于高真空状态下气体密度减少到很小的程度，电子或离子的自由程将很长，以致在间隙中不易发生碰撞电离，因此间隙的击穿电压将会很高。

4 结语

通过以上试验与测试数据的统计分析，我们可以得出以下结论。

（1）在空气中，介质耐电压值Us和气压P大小成正比，随气压的降低而减小（见表3和图7）。

表3 介质耐电压与气压趋势统计表

图7 介质耐电压与气压趋势统计图

PCB两线间间距在0.2 mm的情况下，大气压每降低1 kPa、海拔高度每上升100 m、其介质耐电压降低大约12 V；在10000米高空（民用飞机飞行的一般高度）的介质耐电压仅为常压时的四分之一；在20000 m高空（军用侦察机飞行的一般高度）的介质耐电压仅为常压时的五分之一；当气压从常压降到4.6 kPa（理论值，实际值会因条件的不同有所不同）空气接近真空，介质耐电压达到最低值；当气压再次降低时，介质耐电压则产生翻转并迅速升高。

（2）介质耐电压值Us和线间距成正比，随线间距的减小而减小（见表4和图8）。

图8 低气压下线间距和介质耐电压关系图

图8是常温下、大气压在20 kPa ～ 100 kPa时，线间距0.1 mm ～ 0.6 mm的耐电压图。导线间距每减小0.1 mm，在常压下：其介质耐电压减小约400 V左右；在20 kPa气压（海拔高度11 500 m）其介质耐电压减小约100 V左右；在10 kPa气压（海拔高度16 000 m），其介质耐电压减小约58 V左右。

表4 介质耐电压与间距统计表

图9 介质耐电压与温度变化趋势统计图

表5 介质耐电压与温度变化趋势统计表

（3）介质耐电压值Us和温度成反比，随温度的升高而减小（见表5和图9）。

[1]GJB150.2 军用设备环境试验方法:低气压(高度)试验.

[2]QJ201A 印制电路板通用规范.

[3]QJ519A 印制电路板试验方法.

[4]QJ 831A-98 航天用多层印制电路板通用规范.

[5]QJ 832A-98 航天用多层印制电路板试验方法.