巡检无人机微纳电子材料与器件击穿故障分析

罗敬峰

(广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000)

0 引言

随着科技的高速发展，无人机巡检技术在检测输电线路设备运行状况时起到了相当关键的作用，减轻人员的作业负担[1-4]。无人机不仅可以用于检查判断输电线路上的重要部件损坏和运行情况，还可以在灾害等应急状态下，替代人员开展输电线路的巡查，实现故障精确定位，避免出现视觉盲点，提高了电力设施维护和检修的速度和效率。

巡检无人机由大量的微纳电子材料与器件组成，而制约这些微纳电子材料与器件开发应用的关键主要有固体结构的最小尺寸、电致破坏击穿、功率耗散、热噪声等因素。在高压输电线路巡检应用中遇到的挑战之一：在输电线路的高压强场环境及工作载荷下，无人机内部微纳电子材料与器件的击穿故障问题[5]。因此，为满足器件小型化与性能提升对材料质量的要求，一方面需要深入研究微纳电子材料的击穿机理，另一方面努力提高材料的击穿强度。材料击穿是一个复杂的动力学发展过程，它不仅与材料内部的结构特征有关，而且涉及电场、温度场、力场等多场的相互作用。通过深入探讨微纳电子材料与器件的击穿机理，才能有针对性地进行材料选择和无人机制造，为场景应用提供参考。

1 击穿故障机理

对于高压输电线路巡检无人机而言，机内微纳电子材料与器件的电致破坏击穿难以避免。电致破坏击穿是指微纳电子材料或器件在较强工作电场作用下，发生突然或逐渐被击穿，形成一处或多处导电点的现象，从而导致材料或器件被破坏。电致破坏击穿属于传统的物理、力学及材料问题，按照击穿机制可划分为热击穿、电机械击穿、电击穿[6-7]以及多机制共同作用击穿。

1.1 热击穿

热击穿的本质是处于电场中的材料受到焦耳热的影响而发热，同时又不断向外界散热，两者一般处于平衡态；当外加电压足够高时，材料可能从热平衡状态转入不平衡状态，如果材料本身发出的热量比其散去的热量多，材料的温度将会越来越高，直至出现永久性破坏。通常发生热击穿的无人机，可以在其部分失效零件中观察到熔融烧焦的现象。

热击穿的研究历史比较悠久，且机理单一，其特点是充分考虑了电场产生的焦耳热效应，通过处理在外电场作用下材料的发热、散热与温升的热平衡关系，描述材料的热击穿过程。但越来越多的研究表明，上述热击穿机制存在很大的局限性，对低温下的击穿现象无法做出解释，同时这一机制没有考虑缺陷、空间电荷、应力分布等对击穿的影响，因而在描述击穿现象中必需重视电机械击穿和电击穿的作用。

1.2 电机械击穿

电机械击穿的材料击穿特性类似于其力学变化特性。在外电场或温度场作用下，伴随着电应力或热应力的产生，使材料内部的残余应力重新分布；当外加电场或温度足够高时，引起材料内部的局部应力分布失去平衡，使材料发生断裂。

这一机制虽然简单，却考虑了材料击穿中电场引起的应力对击穿的影响。但该机制假设了材料内部电场分布是均匀的，并未考虑材料内部的大量杂质、缺陷及空间电荷引起的电场畸变，使电场分布不再均匀，整个击穿过程充满了不确定性。而对于微纳电子材料，外加电场或温度场时，其内部的应力分布更为复杂，能极大改变材料内部的微观结构，使其击穿特性更加复杂化。因此，这一机制仅仅适用于弹性模量较小、塑性形变比较明显的材料击穿，比如有机聚合物，而构成无人机微纳电子器件的主要材料大多为无机材料，因而这类击穿故障较为少见。然而，随着有机材料在微纳电子器件的应用越来越广泛，电机械击穿或将越来越多，需引起进一步的重视。

1.3 电击穿

电击穿机制比热击穿发展得晚，因其适用范围更宽广，一直都是研究的重点，但由于其击穿现象比较复杂，涉及到的机理也多种多样。电击穿的本质是在强电场作用下，固体中的自由电子一方面在外电场作用下被加速，获得动能；另一方面与晶格振动相互作用，将电场能量传递给晶格，当电子从电场中得到的能量大于其传给晶格振动的能量时，电子的动能会越来越大，一旦电子的能量到达一定值时，电子与晶格振动的相互作用导致电离而产生新的电子，使自由电子数目迅速增加并发生雪崩，电导进入不稳定阶段，使得击穿发生。这一机制主要分为经时绝缘击穿和瞬时绝缘击穿[8]。

1.3.1 经时绝缘击穿

经时绝缘击穿，即材料加上低于击穿场强的电场后,经过一定时间发生的击穿。这种击穿方式可通过测量击穿电量、击穿时间等大量数据的统计分布来表征材料与器件的可靠性，并可预测材料与器件的使用寿命。长期外加工作电压(低压)下的无人机内部零件的老化击穿通常属于这一类。

人们很早就开始对经过绝缘击穿机理进行研究，普遍认为材料内部缺陷是引起击穿的主要原因，但对缺陷的产生机制仍有很大分歧。围绕着缺陷的产生机制，人们提出了各种各样的机理。

(1) 空穴击穿机理认为电极注入的电子材料内部发生碰撞电离，产生带正电的空穴在电场作用下向阴极界面移动并在此被缺陷捕获，使局部电场增强，导致材料发生破坏性击穿。这一机理在高电场范围与试验数据相符合，但它无法明确地描述击穿动力学过程，也无法解释一些试验现象。

(2) 热化学击穿机理假设材料的老化和击穿是一个热动力学过程，外加电场作用下的分子键获得足够的热能而被破坏，形成空穴陷阱，不断增多的陷阱最终导致击穿。这一机理在低电场范围与试验数据相符合，但它忽略了电流对缺陷产生和击穿的影响。因此，后来提出了一种统一机理，即假设在足够高的电场下，空穴的产生和俘获机制占主导地位；当外加电场低于某一电场阈值时，热化学机制成为击穿的主要机制。

1.3.2 瞬时绝缘击穿机理

瞬时绝缘击穿，即材料加上临界场强时立即发生的击穿，瞬时绝缘击穿可以看成是经时绝缘击穿的一种极限，具体划分为以下两种。

(1) 本征击穿，描述的是结构完整的材料与器件发生击穿的现象，反映了固体材料本身固有的绝缘性能。

(2) 非本征击穿，描述的是与缺陷相关的击穿现象，其不反应材料的固有性能，但能够反映实际材料与器件的绝缘性能，可用于解释在高压工作下的无人机内部零件的闪络放电击穿故障。

瞬时绝缘击穿包括碰撞电离-雪崩击穿机理和电子俘获击穿机理，前者是主流机理，其研究最为广泛。碰撞电离-雪崩击穿机理认为当电场增大至某一临界值时，电子从电场获得的能量不能被电子损失给晶格的能量(空穴漂移或复合)平衡掉，于是电子达到一种能量失稳状态，这些失稳的电子引起碰撞电离，这一过程在电场作用下接连不断地由阴极向阳极发展，形成电子雪崩，当达到某一界限时，材料即被击穿。而电子俘获击穿机理则认为是由于电子陷阱俘获电子并不断积累，增大了阳极电场，最后达到一个临界值时，将破坏材料内部的分子键，从而产生新的电子陷阱并触发了最后的失稳击穿过程。对比可知，碰撞电离-雪崩机理从电场作用下电子运动的能量平衡出发，充分考虑了空穴对击穿的影响，但计算出来的临界击穿场强比观测值大了整整一个数量级；而电子俘获机理则强调了电子陷阱对击穿的作用，认为电子陷阱是产生击穿的根本原因。

1.4 多机制共同作用击穿

在高压强场作用下，无人机内部微纳电子材料与器件的击穿过程是非常复杂的，仅仅用上面任何一种击穿机制都难以全面解释其击穿过程，因此必须建立多种机制共同作用下的击穿机理，来描述热、电、力等多场作用下发生的击穿物理现象。其中最常见的是碰撞电离-丝状热传递击穿机理[9]，该机理包含了两种击穿机制，即由碰撞电离引起的本征雪崩击穿过程和使材料永久性破坏的丝状管热传递过程。外加电场低于击穿场强时，碰撞电离与电荷的复合作用处于相对平衡状态；由于材料内部电场不均匀，局部电流将随着电场增大而迅速增大，形成丝状电子通道，在通道内，温度迅速升高，反过来又促进电流增大，并且形成恶性循环，当局部电场变得足够高，流经丝状管的电流所产生的焦耳热足以引起丝状管熔融时，材料即被击穿。除此之外，还有研究者提出热击穿和电机械击穿的联合击穿机理，解释了有机聚合物的击穿问题，但并未考虑其他因素(例如空间电荷)的影响，导致理论和试验之间存在不少差异。

2 击穿故障影响因素

尽管上述击穿机理纷繁多种，且每一种机理都能够解释电致破坏击穿的部分试验现象，但从这些机理中仍能汇总分析出影响微纳电子材料与器件击穿的共同因素。

(1) 电极效应。构成电子元器件重要组成之一就是用于导电的电极。一般认为，电极形状及其功函数、电极的极性及加压方式和电子材料的电导过程密切相关，因而，选择合适的电极，并对电子元器件的结构进行优化，是降低无人机内部零件击穿场强从而减少击穿故障发生的方法之一。

(2) 空间电荷及陷阱效应。空间电荷是指材料局部区域或电极与材料表面处存在净的正电荷或负电荷，通常是由电荷的注入、电荷的入陷等作用产生。空间电荷对击穿的影响主要来自材料内部电场的强烈畸变作用，可使电极附近的局部电场增至外加电场的8 ～10 倍左右，此时，局部电场高于临界场强，就会产生局部放电击穿。目前，引起材料击穿的究竟是负的空间电荷还是正的空间电荷，尚不明确，但不管如何，这对处于高压强场环境下无人机内部零件的制备工艺提出了更高的要求。

(3) 温度效应。热击穿机理就是基于此建立。一般认为，材料的电导率随温度的升高而上升，而电场的焦耳热又不断使温度升高，反过来增大电导率，直至产生破坏性击穿。一般来说，击穿场强会随温度的升高而下降。随着无人机内部零件的进一步集成化，元器件之间的散热问题成为影响器件可靠性的关键因素，其击穿机理必须要充分考虑温度的作用，才能够对无人机内部零件的结构设计优化进行指导。

(4) 应力效应。在早期研究中，击穿的应力作用常常被忽略，电机械击穿主要是针对聚合物击穿提出的，只是简单地描述了电应力作用，并未被人们广泛接受。但近几年来，人们发现在材料的击穿过程中，应力扮演了一个举足轻重的角色，通常在高应力下，材料更容易被击穿。高压输电线路的巡检无人机在作业时经常处于飞行状态，飞行的不稳定性必然会对其内部电子材料与器件产生机械力的作用，从而对器件的可靠性产生一定的影响。因此，如何在击穿机理中描述应力效应，是解决微纳电子材料与器件可靠性问题的关键之一。

3 结束语

随着巡检无人机内部微纳电子器件的小型化和集成化，其在高压强场工作环境下的击穿问题变得越来越严峻。故障机理的研究表明，微纳电子材料与器件的击穿故障本质上是一个多物理场的耦合问题，虽然当前已提出一些理论来解释相应的故障或试验数据，但击穿理论体系仍需不断完善，才能为微纳电子材料与器件可靠性设计提供基础。因此，建立一种融合力、电、热等多物理场作用并且能够用于准确分析无人机内部零件可靠性的机制，是后续重点研究的方向。