铝基板高压失效因素的研究

杨 涛 王立峰（广东生益科技股份有限公司，广东 东莞 523039）

铝基板高压失效因素的研究

杨 涛 王立峰
（广东生益科技股份有限公司，广东 东莞 523039）

高压测试作为评判铝基板应用当中的一项至关重要的测试方法，对此测试方法的深入了解，有助于我们分析各类失效问题。文章我们通过高压击穿原理分析及铝基板的高压测试分析并结合实际案例中的失效因素研究分析，对各类可能影响因素进行归纳，总结出在铝基板生产制作过程中可能出现的影响高压击穿测试失效的因素。

铝基板；高压击穿；失效因素；电性能

1 前言

铝基板作为特殊应用领域的一种新类型材料，用于如各类照明设备、散热设施，涉及汽车、通信、航天等领域。铝基板至关重要的性能表现之一的高压失效问题一直是需要特别关注与面对的，高压直接影响到了铝基板成品在终端应用中的人身安全、稳定性能，个别的高失效问题随时都可能演变成严重的事件，这一点是不容忽视的。结合我们目前对所有高压（Hi-pot）观察到的失效现象、特征，以及铝基板 Hi-pot测试电性能，总结出影响H-pot表现的各类影响因素，以供大家参考并解决实际生产应用当中出现的问题。

2 失效因素分析方法

HI-pot的特性表现，首先是电学性能条件下所呈现出来的现象，并且结合铝基板的结构特性进行基本的电学分析，其次通过对大量的高压失效样品，借助切片、电镜以及生产现场的确认，进而分析出导致Hi-pot失效的根本原因，并对我们所遇到失效现象进行合理的解释。

3 Hi-pot电性能理论分析

在交流电压（AC）或者直流电压（DC）条件下，电压分别施加于铜面和铝面，当漏电电流超过设定电流时，系统出现报警提示。

3.1 薄弱点击穿特性

统计各类Hi-pot失效现象当中，可以分为铜面中间高压击穿和线路边缘击穿两种现象，如图1所示。在以上失效模型条件下，当板子中出现薄弱点时，就会发生看到的击穿现象。

电流（I）=电压（U）÷电阻（R） （1）

铜面与铝面之间在正常情况，介质层具有良好绝缘特性，是可以承受相应的高压，并在漏电流方面不超出设定的上限标准，达到稳定的状态。但是由于诸如金属杂物、导电物质等因素，导致介质层的有效绝缘性能下降，对应的有效介质层厚度减小，局部位置出现相对薄弱点，所有击穿问题发生时，会优先在这种薄弱点位置出现，这就是Hi-pot测试薄弱点特性。

图1

3.2 铝基板的电容特性

Hi-pot测试过程当中，铜面与铝基面之间形成电容的特性，中间介质为高导热树脂介电层，测试当中也存在电容的充、放电特征。如下理论条件下形成的电容，以及电容的电压、电流、时间的对应关系。

铝基板电容值计算如下：

ε—介质层介电常数，S——极板面积，d——极板间距

施加电压后，铜面与铝基面的电容在充、放电过程当中，形成电荷的迁移，进而形成电流，根据UC=It的电性关系，电极接通到充电完成并稳定，漏电电流如下所示：

从以上理论分析，我们可以得出，当HI-pot测试时，电压从0到目标值的升降过程中所花费的时间，对瞬间漏电流的影响非常大，这一时间非常短时，可以产生非常大的瞬间电流，这种瞬间电流具有极大的破坏性，可能直接导致介质层的损伤与击穿，还可能在后续的生产制作当中存在性能及多次电压击穿的风险。

因此，我们需要尽可能的避免这种瞬间大电流的出现，可以通过示波器等仪器来确认监控测试过程的稳定性。

4 Hi-pot失效因素研究

常见能够引起铝基板在应用当中的高压失效因素，可以分为以下几个类型因素。

表1 失效因素

4.1 介质层杂物

当介质层中存在杂物时，测试电压两极间的有效间距被动减小，或者由于杂物的存在，导致两极间的直接导通，产生瞬间的高电流，超出设定的最大漏电流上限。图2这种杂物可以是金属物质、碳化物、纤维等形态存在。［2］

图2 介质层杂物示意

如下实际分析案例，结合对杂物的元素分析，以及切片当中观察到的杂物形态，进而追溯杂物的来源。

针对切片当中观察到的颗粒状的物质分析主要以“Ti”元素为主（图3），生产过程当中只有铝板表面处理使用夹具以“Ti”元素为主。

图3 钛杂物分析

结合介质层在凹陷位置的浸润状态，分析铝面本身已经受损凹陷了，这可以追溯到前工序涉及产生铜屑颗粒的环节（图4）。

图4 铜颗粒杂物

4.2 离子污染

外来导电离子的引入，会直接导致电极的正负极间导通，形成瞬间大电流而击穿（图5），这种情况下介质层本身没有出现击穿的问题，常见的有V-Cut槽、有足够工艺边余量的板边区域等。

图5 离子污染示意

高压测试当中出现部分V-cut槽位置击穿问题，但是在高压测试时会出现报警导通问题，如图6所示的V-cut位置。

图6 V-Cut位置的离子污染

目视整个板面没有明显失效点，但是在槽型位置存在放电烧糊的现象，这种现象可能的主要原因是槽型位置存在污染进而导致铜面与铝基导通产生放电。同时也不排除加工边缘由于刀具的因素存在较为粗糙的铜丝或铝屑导致连通。

4.3 外力损伤

在外力的作用下，导致介质层损伤，高压测试出现击穿现象，这类现象部分表现为定点定位，具有规律性的特征，可能批量性的出现；也存在一些偶然性的外力损伤，造成铜面或介质层破损，更严重的直接导致铜面与铝面的连通。如图7所示外力损伤实际案例。

4.3.1 铜面戳伤

图7 铜面戳伤样品

以上铜面戳伤样品，直接来看没有明显特征，分析过程中将铝面腐蚀掉来看，发现击穿点，进一步切片观察，确认铜箔面有明显的外力尖锐物质戳伤的现象。

4.3.2 定位损伤

定位损伤来源于生产制程当中，机械、设备或者人员的规律性异常，导致固定点或线位置遭受外力冲击产生损伤，在高压失效方面就表现为定位规律性击穿。

如图8所示的固定位置高压击穿现象，在固定的焊盘点出现了一模一样的Hi-pot失效。每块板都是固定位置的失效，并且失效点位于同一条直线上。

针对失效点的切片如图8。

图8 板子正反面击穿点对应关系

固定位置，同一直线上的焊盘出现击穿。铝面压痕明显，对应位置可以看到明显的弯曲变形，可以判定是在外力条件下导致。上图的对应测量，失效点距板边的距离为6.65 cm，而对应的铝面压痕距离板边的距离为6.6 cm。

图9 焊盘击穿点

失效位于线路边缘，介质层击穿裂开，对于裂开位置，分析在外力作用下，对应点介质层已经存在了损伤问题。综合以上现象，该定点定位的高压失效原因是在规律性的外力作用下，导致对应焊盘点损伤而产生，具体产生环节，结合整个流程的追溯来看，应该是PCB铣切或V-CUT环节导致的。

表2 设计结构影响

图10 大铜面及线路间距过小

图11 铜面与板边铝间距过小

4.4 设计结构

对于PCB生产的新的料号订单当中，经常出现高比例的高压失效问题，比例从10%～100%不等，这类现象经确认，主要与板子的设计结构有关系，主要有以下列表几个方面的影响。

以上影响高压表现的结构性因素，根据初次生产应用当中的测试表现可以直接的识别出来，这种情况通过线路和板子设计的调整可以进行改善。

4.5 空洞

介质层当中存在空洞时，同样会减少有效介质层厚度，导致电极的间距减小，根据电性能的分析情况，I=UC/t=ε*U*S/（dt），有效间距的减少，直接导致瞬间电流的增加，承受耐压的能力降低。如图12所示典型空洞现象。

图12 空洞示意及切片观察

4.6 介质层偏薄

介质层的厚度直接决定了耐压能力情况，随着介质层厚度的提高，耐压能力也会逐步的提高，同样规格的铝基板，做常规使用的型号，高压失效突然呈现异常比例，约12%以上，通过测量来看，介质层厚度方面存在明显的下限临界状态，如图13所示。

100 μm的介质层厚度，实际测试介质层厚度平均只有83 μm左右，而在4200 V的高压条件下，出现超过10%以上的高压击穿问题。而通过调整介质层厚度，保持在100 μm±5的水平时，同样条件下，高压表现良好。

图13 介厚偏薄的击穿分析

表3 不同配方耐压性能差异

4.7 材料性能不足

材料配方性能的不同，在耐压性能方面也会存在明显的差异，这一点可以从同等条件下的测试结果来看是否能够满足PCB设计及应用的要求。如表3不同材料配方的表现。

4.8 裂纹

裂纹模型的本质与外力损伤以及部分特征的空洞有异曲同工之效，其产生的主要原因也是在外力，如撞伤、机械冲击等作用下出现的介质层损伤现象，以及严重事故条件下形成的开裂现象。

4.9 设备异常

根据对MCCL电容特性分析，在施加电压过程中可能会出现失控的升降压，这一过程当中由于短时间内的电压剧烈波动，导致失控的瞬间电流出现，大电流作用下会极大的增加Hi-pot失效概率与后续应用的品质，因此，这方面需要对测试设备本身存在的异常进行功能校正。

如用示波器监控过程中发现的问题，升压时出现瞬间大电流，缓慢降压过程没有出现大电流。

5 总结

HI-pot失效问题是我们铝基板生产加工过程当中必须要严加管控，尤其是涉及到公众人身安全等方面的产品，诸如户外照明、室内照明及其他触手可及的地方。而对于Hi-pot测试当中的击穿问题，我们可以参照以上分析的各类失效模型，结合切片、电镜、生产前后的对比等技术手段进行原因的追溯，以便更好的进行预防和改善。

（1）Hi-pot测试存在明显的电容充放电的特性，而这一特性在特定的设备当中表现为瞬间电流和漏电流的特性，其中瞬间电流均有较大的破坏性，因此需要尽可能的通过逐步的升降压来避免；而漏电流则是我们目前常见的判断高压表现的直接依据，超出设定上限，即认为高压击穿失效。

（2）Hi-pot失效因素分析当中，通过实际的失效案例进行因素归类，涵盖了我们可能遇到的各种类型的失效特征，并对应寻找根本的因素，为Hi-pot失效的预防与改进提供参考。

［1］陈伟杰. Hi-pot测试探讨［C］. 第十五届中国覆铜板技术·市场研讨会暨覆铜板产业协同创新国际论坛论文集.

［2］张玉新. 应用6-σ方法分析薄型覆铜板Hi-pot试验失败原因与改进方案［C］. 印制电路信息， 2006，12.

杨涛，工程师，从事覆铜板行业相关的应用与研究。

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