覆铜板的电气性能老化特征及影响因素.pdf

专家讲座覆铜板资讯2 0 2 3年第3期编者按：从本刊2 0 2 3年第3期开始，向业界分享行业资深专家、中电材协覆铜板材料分会高级顾问师剑英老师的技术讲座连载。所登的本讲座稿，是一篇难得一读的技术文献。它就覆铜板的各种电气性能及特征、电气老化因子及老化机理等作以详细、系统的讲解，以帮助大家更深层次学习此方面的知识。覆铜板的电气性能老化特征及影响因素中电材协覆铜板材料分会高级顾问师剑英摘要：本文介绍覆铜板所涉及的各种电气性能；电气老化性能的特征；介电性能的物理本质及影响因素；不同介电性能的老化因子；老化机理的探讨等内容。关键词：覆铜板；电气性能；老化；影响因素1概述作为印制电路板（PCB）制造中最重要的基础材料，无论是覆铜板（CCL)还是粘结片（PP）,均在PCB制造、各种电子、电器、仪器及终端设备中起到十分重要的作用，它主要承担着导电、绝缘、支撑、互联和信号传输等功能。因此,在覆铜板诸多性能中,电气性能是其非常重要的组成部分，在许多情况下，它甚至比力学、热学性能更为重要。研究分析覆铜板的各种电气性能及影响因素,对提高覆铜板的质量、性能非常必要。2覆铜板所涉及的各种电气性能覆铜板涉及的电气性能主要包括：表面电阻、体积电阻、绝缘电阻、铜箔电阻；介电常数和介质损耗角正切；电气强度和耐压试验；耐电弧；耐CTI;耐CAF；谐振特性Q值；电热效应；电老化；交流电路中的阻抗及趋肤效应等。3覆铜板电气性能的物理本质覆铜板的电气性能（除铜箔电阻外)实质上就是基板材料的介电性能。其物理本质是：在电场的作用下，材料内部发生了极化，从而引起覆铜板材料各种电气性能的变化，即介质的电极化是覆铜板这种电介质材料性能的物理基础。所涉及的主要内容有：介质极化和静态介电系数（介电常数）：掌握电介质的极化现象及其表征、电介质极化的微观机制；熟悉宏观极化强度与微观极化率的关系、影响介电常数的因素；交变电场中的电介质：掌握复介电常数、介电弛豫现象的物理意义、德拜弛豫方程、谐振吸收和色散；介质损耗及其影响因素、材料的介质损耗；固体电介质的导电与击穿：掌握固体电介质在电场中的破坏，各种击穿的产生机理，介电强度及其影响因素；熟悉固体电介质的电子电导、离子电导、表面电导的产生的机理和影响因素；电介质的实验测试研究：掌握介电常数和介质损耗、电介质的介电强度、表面电阻、体积电阻、绝缘电阻等的测定。在外电场的作用下，（覆铜板）材料发生两种响应，一种是电传导，另一是电感应。与导电材料相伴而生，主要应用材料介电性能的这一类材料总称为电介质（材料）。早期的-51-覆铜板资讯2 0 2 3年第3期专家讲座电介质材料指的是电路中起分隔电流作用的绝缘材料。随着电子技术、激光、红外、声学以及其它新技术的出现和发展，覆铜板（电介质）材料的应用领域早已超出了仅仅作为电绝缘介质的应用范畴，绝缘体都是典型的电介质，但电介质不必一定是绝缘体。然而表征材料介电性能的基本参数仍然是早期研究材料的绝缘性能时，提出来的四大参数，即介电系数（介电常数）、介质损耗、电导率（或电阻率)和击穿强度。随着电介质理论的不断深入和发展，对固体材料介电性能的研究已发展成为，以上述四大参数为基础，研究物质内部的电极化过程的一门学科。电介质材料主要应用领域是电绝缘和满足各种电子电路及性能要求的电子器件，所涉及的材料主要包括无机非金属材料和高分子材料，特别是覆铜板材料。了解掌握这些知识，对覆铜板材料的性能研究、品质提高与改善以及应用很有帮助。4覆铜板常用的电气性能及影响因素4.1电阻4.1.1电阻的分类及其物理意义覆铜板的电阻分为：铜箔电阻和绝缘基材电阻。铜箔电阻很小，一般为毫欧量级；基材电阻分为：绝缘电阻、表面电阻和体积电阻，阻值很大一般为10 10 15欧姆。覆铜板是一种电介质材料，而电介质多数都是优良的绝缘材料。绝缘材料是指电阻率较高（一般电阻率 10 m或 10 cm），用来限制电流使它按一定途径流动的材料；另外，还利用其“介电”特性建立电场以贮存电能的材料。根据需要，绝缘材料还起着灭弧、散热、冷却、防潮、防雾、防辐射，以及支撑、固定导体、保护导体等作用，故绝缘材料是电子、电气设备中必不可少的部分。绝缘材料顾名思义似乎就应完全不导电，即加上电压后没有电流流过，但是实际上所有的电介质都不可能是理想的绝缘体。在外电场的作用下，介质中都会有一个很小的电流流过，此电流是由电介质中少量较弱的或自由的带电质点（正、负离子或电子、空穴），在电场作用下做定向迁移而形成的传导电流，又称泄露电流，由于电流的传导必定在覆铜板中形成电阻。(1)体积电阻和体积电阻率体积电阻R，定义：为试样两电极之间所施加的直流电压除以该两电极间形成的稳态体积电流所得的商，单位为。定义中忽略了两电极上可能出现的电极化现象，实际测量的稳态体积电流是经过一定电极化时间（一般为1min）后的体积电流。R,=V/IV体积电阻率定义：为试样内的直流电场强度E除以稳态电流面密度JA，所得的商，单位为m。若在固体电介质两表面上置备两个平行的平板电极，电极的面积为A，电极间的距离为L，则体积电阻率与A成正比，与L成反比，即：pv=E/JA=R,(A/L)绝缘材料体积中各点的性能可能不均匀，也包括电极上可能存在的极化现象的影响，体积电阻率只是平均值。对于粗细、密度均匀的电介质试样，若以Rv为体积电阻、A为电阻截面积、L为电阻长度，则体积电阻和体积电阻率分别为：R,=V/Iv=p(L/A)pv=E/JA=R,(A/L)上述两式表明，对于单位立方体，A二-52专家讲座覆铜板资讯2 0 2 3年第3期L=1,因此R,=pv,也就是说体积电阻率pv实际上就是一个单位立方体电介质的体积电阻R，而与立方体的大小无关。体积电阻率p、是由材料的本质决定，是电介质材料的本征特性，与试样尺寸无关，在一定的测试条件下所测得的值应是一个常数，它表示介质抵抗体积漏电的性能。(2)表面电阻和表面电阻率表面电阻R：定义为加在固体电介质同一表面上的两电极之间所施加的直流电压除以经一定极化时间（1min）后，该两电极间形成的表面电流所得的商，单位为。仅与固体电介质的性质有关，而且强烈地受材料表面及周围环境的温度、湿度、表面结构及表面污染情况影响。因此，表面电阻和表面电阻率不能作为物质的特性参数。注意：实际上我们从检验测得的是表面电阻率和体积电阻率！(3)绝缘电阻绝缘电阻R：绝缘电阻也称插销电阻。其定义是：加在与绝缘体或试样相接触的两插销电极间的直流电压除以通过两电极的总电流所得的商。它与绝缘体或试样的表面电阻和体积电阻有关。即：R,=V/I.表面电阻率P：定义为固体电介质表面的直流电场强度E除以稳态电流线密度JL所得的商,单位为。若在固体电介质表面上置备两个平行的平板电极，电极间距离为d,电极的长度为L,则表面电阻率与L成正比,与d成反比,即：ps=E/J=R,(L/d)绝缘材料表面上各点的性能不可能均匀一致，也包括电极上可能存在的极化现象的影响，表面电阻率只是平均值。对于面密度均匀的电介质试样，若以Rs为表面电阻、d为电极间距离、L为电极长度，则表面电阻和表面电阻率分别为：R,=V/I,=p,(d/L)p,=E/J.=R,(L/d)对于正方形表面，d=L，因此，表面电阻率P，就是正方形固体电介质表面的表面电阻R，而与正方形面积大小无关。表面电阻或表面电阻率，表示固体电介质材料抵抗沿表面漏电的能力。其测试值不Rj=V/I(4)绝缘电阻与表面电阻和体积电阻间的关系：绝缘电阻等效于其表面电阻与体积电阻的并联；绝缘电阻与表面电阻、体积电阻的等效电路图可参见印制电路用覆铜箔层压板（第二版）第513页中图14-4-3。它们之间的数学关系式是：1/R=1/Rs+1/Rv(5)铜箔电阻铜箔作为覆铜板中的导体材料，在制成的印制电路板（PCB）中起承载电流和传输信号的作用，铜箔电阻关系到印制电路导电能力和损耗大小，是保证覆铜板质量的重要项目。铜箔是由高纯电解铜制造，加之铜又是电流的良导体，因此铜箔的电阻率很小，一般为cm量级（纯铜的电阻率为1.7 5102cm或1.7 510 m）。铜箔的电阻率一般以质量电阻率表示，单位为：%/m。因此，铜箔的单位面积的质量对其电阻率影响很大；另外铜箔表面粗糙度对铜箔的电阻率也有很大的影响。两者均增大电子电-53-覆铜板资讯2 0 2 3年第3期专家讲座路的导体损耗。4.1.2测量覆铜板电阻的意义（1)覆铜板的功能之一是作为元器件之间、线路之间或元件对地之间的绝缘，所以测量其电阻具有实际意义。（2）通过测量电阻还可配合工艺控制和检查材料含杂质情况以及材料的含湿状况等。（3)铜箔作为制作印制板导线的材料，起承载电流和传输信号的作用，测量其电阻关系到印制线路导电能力和损耗大小，是保证覆铜板质量的重要项目。4.1.3覆铜板电阻的测试（1）表面和体积电阻的测试测量表、体电阻一般采用三电极系统，一般表面和体积电阻测量在同一块试样上进行。制作试样时，上面的测量极和环电极可利用覆铜板上的铜箔蚀刻形成，而另一面如有铜箔，则需全部蚀刻掉，底电极另外贴附。测量表面电阻时，底电极为保护极，所测表面电流为测量极与环电极之间表面的电流；而测量体积电阻时，环电极为保护极，所测体积电流为测量极与底电极之间的电流。注意：在测量时，应先测量表面电阻，后测量体积电阻，这样可以减小或消除残余电荷的影响。残余电荷对测试结果的影响可参见印制电路用覆铜箔层压板（第二版）第518 页中（4）残余电荷对测试的影响。表面电阻率的数学表示式是：p s=R (2 /ln(D,/D2)式中：D是外电极的内径;Dz是内电极的外径,单位为2。体积电阻率的数学表示式是：pv=R,(A/t)式中：A是底电极是面积；t是厚度，单位为Qm。测量表体电阻的试样平面图见印制电路用覆铜箔层压板（第二版)第513页中图14-4-5，断面图见第514页中图14-4-7。(2）绝缘电阻的测试绝缘电阻测试及试样，见印制电路用覆铜箔层压板（第二版）第513页中的图14-4-6。（3）铜箔电阻的测试测量铜箔的电阻，有两种情况。一是测量原材料电解铜箔的电阻，二是测量覆铜板上铜箔的电阻，我国国标规定二者试样均为330mm25mm的长条，在样本上沿横向取一个，纵向分边、中、边各取一个。铜箔的电阻只有毫欧量级，对微电阻的测量应尽量避免或减少接线和接触电阻的影响。因此一般选用四端法测试。四端法测试原理请参见印制电路用覆铜箔层压板（第二版）第516 页中图14-4-12 四端法测量低阻原理图。参考资料：1辜信实等.印制电路用覆铜板层压板（第二版）（M）.北京：化学工业出版社，2 0 13.5.2电气电子绝缘技术手册编辑委员会.电气电子绝缘技术手册（M).机械工业出版社，2 0 0 8.1.3俞翔霄,俞赞琪,陆惠英等.环氧树脂电绝缘材料(M).北京：化学工业出版社，2 0 0 7.2.4刘强,黄新友.材料物理性能(M).北京：化学工业出版社,2 0 0 9.7.5耿桂宏.材料物理与性能学(M).北京：北京大学出版社,2 0 10.1.6董炎明等.高分子结构与性能（研究生用书）(M),上海：华东理工大学出版社,2 0 10.1.7吴南屏.电工材料学(M).西安交通大学出版社，1990.12.8田民波等.高密度封装基板.清华大学出版社，2003.9.-54-（未完待续）