数据采集仪在表面绝缘电阻测试系统中的应用——以安捷伦3498数据采集仪为例

上海市质量监督检验技术研究院 认证中心 张宇清

数据采集仪在表面绝缘电阻测试系统中的应用
——以安捷伦3498数据采集仪为例

上海市质量监督检验技术研究院 认证中心 张宇清

近年来，随着电子产品小型化和集成化程度的提高，PC（印制电路板）B的线距越来越小。也正因此，PCB的绝缘可靠性尤其是离子迁移就成为影响产品质量的重要因素，PCB的绝缘可靠性问题已引起了越来越多的电子产品（尤其是汽车电子产品）制造企业的关注。

一、技术论述

由于PCB在制造过程中一般都要经历胶片制版、图形转移、化学蚀刻、过孔和铜箔处理、助焊和阻焊处理等多道工序，在这些工序处理过程中会使用大量的化学溶剂，虽然期间经也经过了多道清洗工序，但在PCB表面或多或少仍会残留少量化学溶剂。电子产品在长期使用过程中，由于电、温度和湿度等因素的共同作用，这些残留溶剂会发生电解，部分离子发生迁移现象，从而导致PCB导线之间绝缘性能的下降，严重时甚至会引起电子产品的失效。

各大电子产品制造企业为了解和验证PCB在长期使用过程中表面残留离子对其绝缘性能的影响程度，以及PCB绝缘性能的退化趋势，在IPC–TM–650 2.6.3《PCB表面绝缘电阻测试方法》的基础上对试验条件进行了一些改进。

1.试验样品。定制有固定图形（一般为叉指形状）、固定线距的PCB，数量在四五十片到数百片之间。具体测试样品图形如图1～6所示。

2.试验条件。在高温高湿的环境（温度40 ℃，RH93% 或温度85 ℃，RH85%）中，在样品引出端之间施加一定的直流电压（一般为10 ～ 50 V），并持续一定的时间（500 h或1 000 h）。

3.数据采集。在上述试验条件下，以一定的周期间隔（少则20 min或30 min，多则24 h，监测每片样品的绝缘电阻值。通过观察样品绝缘电阻值在整个试验周期内的变化，来了解PCB绝缘性能的退化程度和离子迁移对PCB绝缘性能的影响程度。

由于这项试验周期长、样品数量多、数据采集量和试验人员的工作量巨大，多家试验设备制造商均开发了表面绝缘电阻的自动化测试系统（AM I或AEI），但这些系统价格较为昂贵，其测试通道大多只能扩展到100～200个，设备的专用性较强；不适合对多个实验室或企业的大批样品进行同时试验，也不能满足其进行通用性试验的需求。

实际上，许多实验室可以利用现有的数据采集仪自行搭建表面绝缘电阻测试系统，既能保证试验结果的准确性，又可降低试验成本，而且这些系统还可方便地进行测试通道的扩展。本文，笔者就如何利用安捷伦的34980数据采集仪搭建表面绝缘电阻测试系统，以及该系统在使用过程中的注意事项加以阐述，以期对同行有所参考。

二、试验基本原理

考虑到正常样品在试验条件下的绝缘电阻值通常会大于100 MΩ，远大于测试线路中的测试用电阻，因此，可以根据欧姆定律和基尔霍夫定律，采用取样电阻法搭建测试电路，测试电路如图7所示。

由于DUT和Vcc，R1，R2构成串联电路，所以依据基尔霍夫定律，电路中通过DUT，R1，R2的电流相等，结合欧姆定律，可得出测试样品（DUT）电阻值的计算公式：

由于在正常情况下，R1和R2上的电压降远小于测试样品（DUT）的电压降，对最终的测试结构影响较小，在计算时可将对其忽略不计，式（1）可以简化为

三、试验设备

在该试验系统中，除了配备常规的直流电源外，最重要的检测设备就是数据采集仪。通常情况下测试绝缘电阻会使用绝缘电阻仪（高阻计），但由于绝缘电阻仪在读数时会对样品有一个极化时间，一般耗时30～60 s，且只能由人工操作，这对于读数间隔短、大批量样品的测试显然是不适合的。因此，可以采用安捷伦的34980A数据采集仪进行读数，该设备与绝缘电阻仪相比，具有以下几点优势。

1.读数精度高。在100 mV量程档，每个测试通道的最小读数可达0.003 5 mV。

2.读数快。扫描速度高达1 000个通道/s ，并可自行设定读数间隔。

3.便于对批量样品的测试。

4.设置简单，并可在显示屏上观察各通道读数的变化趋势。

5.存储量大。设备在测试过程中能自动保存数据，测试完成后还可将数据直接导入Excel文件进行后期处理。

四、试验方法

1.第一步：样品前期处理。

（1）连接线焊接。由于样品需要在高温高湿环境中长时间通电测试，所以为防止连接样品和电源的导线以及数据采集仪之间的导线在长时间高温高湿条件下绝缘性能退化，进而影响测试数据的准确性，建议选用可耐受150 ℃的特氟龙高温导线，并按图8所示将连接线焊接在样品的两个引出端上。接线如图8所示。

为了便于放置和读数，可将样品分为若干组，如将10或20片样品组成一组，每组正极并联后用一根连接线引出，每片样品的负极与取样电阻串联后单独引出一根连接线并编号。此外，在焊接时需要防止助焊剂和残锡沾污样品，保证测试数据的准确性。

（2）样品放置。将每组样品垂直放置在专用样品托架上，然后将托架牢固固定在温湿度箱的栅盘上，并将连接线从通线孔引出。放置方式如图9所示。

2.第二步：测试线路的搭建。

（1）按图7所示将所有样品的正极和限流电阻R1一端相连接，限流电阻R1另一端与直流电源正极相连接，将取样电阻R2另一端和直流电源负极相连接。

（2）将数据采集仪的每个测试通道和每个样品所连接的取样电阻并联。

（3）将数据采集软件中数据采集仪的各测试通道设定为测量电压，并选择适当的量程，同时设定读数间隔。

3.第三步：进行测试。开启温湿度箱，设定所需的温湿度条件，待试验箱内的温湿度条件达到试验条件并稳定后，接通直流电源，设定测试电压，同时运行数据采集软件进行读数，直至试验结束。

4.第四步：数据处理。试验结束后，将从取样电阻R2读取的电压值按式（1）或式（2）转换为样品的表面绝缘电阻值；由于绝缘电阻值的量级差异较大，需要将绝缘电阻值取l g对数，以缩小趋势图上的波动幅度；然后通过Excel作图功能，完成样品数据趋势图。另外，还可观察试验后样品表面，查看是否有离子迁移现象发生，并拍照记录。离子迁移如图10所示。

五、试验中应注意事项

1.样品前期处理阶段。

（1）样品连接线应选用耐高温高湿、绝缘性能好的高温导线，并在每次试验前进行更换。

（2）焊接连接线时应防止样品表面被污染。

（3）焊接时注意焊点的空焊和虚焊。

（4）放置样品时应采取适当的防护措施，防止试验箱内水汽凝结在样品表面，从而影响测试数据的准确性。

2.试验阶段。

（1）在施加测试电压前，对样品进行预处理48～96 h，有利于减小测试数据的波动范围。

（2）定期将测试数据导入计算机进行备份，防止发生异常情况导致数据丢失。

（3）在质量电源输入端加入毫安表监视测试电流，防止测试线路中出现局部短路导致数据错误。

（4）在每组样品中用试验用高温导线组成双绞线，并串联一个750 MΩ的校验电阻，定期监测其阻值变化，以监测高温导线的绝缘性能退化程度。

六、试验中异常现象及分析

1.异常一：试验初期48～72 h，测试数据出现较大波动。

（1）原因。由于试验初期部分采用涂覆工艺的样品表面所吸收的水分尚未达到饱和，导致绝缘电阻值波动过大。

（2）解决方法。在施加测试电压前，对样品充分预处理，同时在试验开始阶段连续监视数据变化趋势，检测时间持续96 ～ 120 h，看变化趋势是否稳定；若120 h后数据波动仍然较大，导线绝缘性能或样品焊点质量是否可靠。

2.异常二：试验中个别数据出现跃变。

（1）原因。由于数据采集仪取值时间较短，当读数时，样品尚未被完全极化。其绝缘电阻值尚未稳定，就会出现此类现象。

（2）解决方法。使用绝缘电阻测试仪对出现数据跃变的样品进行复测。

3.异常三：部分样品出现虚焊或空焊现象。

（1）原因。工作人员操作不认真。

（2）解决方法。由工作人员认真检查，排除连接线中的虚焊或空焊现象。

4.异常四：样品绝缘电阻值连续出现小于106 Ω的现象。

（1）原因。部分样品叉指间出现导通或短路现象

（2）解决方法。通过对校验电阻的监测，确定高温导线绝缘性能是否退化。检查样品表面是否有冷凝水凝结，如有，调整样品摆放位置。检查样品焊点是否出现连焊现象。

排除上述因素后，可用绝缘电阻测试仪复测读数异常的样品的绝缘电阻值，以确定是否由于测试图形叉指间出现导通或短路造成失效，以便在试验后的观察中重点关注。

七、测试系统的局限性

该测试系统与部分专业定制的自动化测试系统相比，还存在以下局限。

1.试验前搭建和调试系统耗时较多，且需要操作人员具有一定的专业知识。

2.操作界面不如自动化测试系统简、洁明了。

3.尚不能直接读取绝缘电阻值，测试数据需经过公式转换成绝缘电阻。

4.读数尚不能自动备份到计算机中，需要试验人员定期导入。如遇计算机或测试设备发生故障、停电等异常，可能会造成部分试验数据的丢失，影响试验进程和结果判定。

八、结论

该测试系统在表面绝缘电阻测试方面具有精确度高、扩展性好、通用性强、成本低的特点，是实验室在进行表面绝缘电阻测试时的一种较好选择。