85 85% 環境下での 絶縁体内部電荷分布経時変化の測定技術 ファイブラボ株式会社デバイス部河野唯通 Email: yuimichi@5lab.co.jp
表面実装から部品内蔵基板へ 従来からの表面実装から部品内蔵基板へ 基板は層状構造となり厚さ方向の絶縁性も重要 使用される絶縁層間フィルムはますます薄くなる 低電圧だが, 電界は電力線並み!
高電圧電力ケーブル 機器の絶縁材料評価方法 絶縁材料評価方法として空間電荷の測定が重要とされた理由 空間電荷がたまると 均一であるべき電界が歪む これによって絶縁体の破壊強度が大きく変わる可能性がある Copper 絶縁体中にある不純物の種類や量によって空間電荷のたまりかたが異なるため 空間電荷による材料の絶縁性評価や劣化状態の推定ができる
27 年 JPCA-ET1 規格に追加された項目 1 ページ 2.2 項エレクトロケミカルマイグレーションの説明に 絶縁体中の中に存在するイオン性不純物が絶縁劣化に寄与する場合を含む マイグレーションなしで, いきなり破壊する現象がある これは内部のイオン性不純物が電極界面付近に蓄積することによる電界強調が原因と考えられる
絶縁材料内部の電荷分布の測定法 パルス静電応力 (PEA) 法 Pulsed ElectroAcoustic Charge Q x Field E Force F 出力信号の大きさが電荷量, 信号の遅れ時間が位置を表す, 14 12.3mmPET EB 照射電荷分布.3mmPET 圧電センサー 試料 Charge density[c/m3] 1 8 6 4 2-2 -4-6 5 1 15 2 25 3 position 16 15
標準 PEA 検出ユニット (5ns, 5-6 V at 4 Hz)
85 度 85%RH 環境下での測定 85 85%RH 温湿度環境下での PEA 検出器の改良 1) 温度特性のよいセンサーを使用 2) プリアンプの温度特性を配慮し試験機外に設置 アンプ部 恒温恒湿槽外に設置 検出部 恒温恒湿槽内に設置
85 度 85%RH 環境下での空間電荷測定 測定サンプル厚さ63μmのエポキシ系層間絶縁フィルム配合比を変えて吸水率差があるA,B,Cサンプル吸水率差は A<B<C 同一硬化条件にて硬化 測定条件 85 85%RH 環境下で 1 時間放置後 1kV/mm の電界印加 電界印加後 85 85%RH 環境下で空間電荷分布の経時変化を測定
85 度 85%RH 環境下での電荷分布経時変化 4 [A] 85 85% 3hr 電荷分布 4 [C] 85 85% 3Hr 電荷分布 Charge density[c/m3] 2 6-2 7 8 9 1 11 12-4 -6-8 1min -1 cathode 1hr anode 3hr -12 position Charge density[c/m3] 2 6-2 7 8 9 1 11 12-4 -6 1min -8 cathode -1 1hr anode -12 3hr position 4 2 [B] 85 85% 3Hr 電荷分布 吸水率差は A<B<C Charge density[c/m3] 6-2 7 8 9 1 11 12-4 -6 1min -8 1hr cathode -1 anode 3hr 印加電界 1kV/mm -12 position
85 度 85%RH 環境下での電界分布経時変化 Charge density[v/ mm ] 2 1-1 -2-3 -4-5 [A] 85 85% 3Hr 電界分布 6 8 1 12 cathode 1min 1hr 3hr anode Charge density[v/ mm ] 2 1-1 -2-3 -4-5 [C] 85 85% 3Hr 電界分布 6 8 1 12 cathode 1min 1hr 3hr anode -6 position -6 position Charge density[v/ mm ] 2 1-2 -3-4 -5 [B] 85 85% 3Hr 電界分布 1min 1hr 3hr 6 8 1 12-1 cathode anode 吸水率差は A<B<C 印加電界 1kV/mm -6 position
測定結果及び考察 結果 試料 A,B,C, とも電界印加後時間経過とともに cathode 側に発生した誘導電荷が大きくなる その度合いは C>B>A の順に吸水率の大きな試料順となる 考察 anode より電荷注入がおこり 吸水率の大きい試料順に電荷移動できるキャリアの発生が多く cathode 側にヘテロチャージを生み誘導電荷が大きくなったと考えられる
まとめ 層間絶縁フィルムの空間電荷分布測定を分離タイプ PEA 装置を用いて 85 85%RH 環境下での測定を行い空間電荷の経時変化を確認できた 本測定に用いた技術の一部は 情報通信研究機構の研究成果展開支援制度により技術移管され実施した 福永香, 岡本健次, 前野恭 プリント配線板用絶縁材料の空間電荷挙動と内部電界分布の観測 エレクトロニクス実装学会誌, Vol. 7, No. 7, pp. 635-638, Nov. 24
内部に電荷がない均一な電界分布 PMMA
内部電荷により不均一な電界分布 エポキシPET 8μ 3μ
電荷サンド コンデンサ Q=CV (.2 mm PS, 2 kv) with Dr K. Fukunaga, NICT
EB 照射により内部に電荷が存在する測定例 1 Charge density[c/m3] 14 12 1 8 6 4 2-2.3mmPET EB 照射電荷分布.3mmPET 5 1 15 2 25 3 サンプル :.3mm PET 板に EB 照射し内部にマイナス電荷を注入 -4-6 position 8.3mmPET EB 照射電界分布.3mmPET 2.3mmPET EB 照射電位分布.3mmPET Electric Field[V/ mm ] 6 4 2-2 -4-6 5 1 15 2 25 3 electric potential[v] -2-4 -6-8 -1 5 1 15 2 25 3-8 position -12 position
EB 照射により内部に電荷が存在する測定例 2 12 1 8 6 4 2 経時変化 BW1A 電荷分布 BW1A 114 BW1A 116 BW1A 1113 サンプル :.3mm PET 板に EB 照射したサンプルの初期 2 日後 8 日後の電荷分布の経時変化 -2 5 1 15 2 25 3-4 -6 12 1 経時変化 BW1A 2Kv 電荷分布 BW1A 114 BW1A 116 BW1A 1113 8 6 4 2-2 5 1 15 2 25 3-4 -6
高電界によるサンプルへの電荷注入の測定例 サンプル :.73mmLDPE に 5kV 印加し 1min 間隔での空間電荷の経時変化 6 4 2 LDPE Charg Distribution[C/m3] Bmin B2min B4min B6min B8min B1min B3min B5min B7min B9min Measurement conditions Thickness [mm].73 Applied Voltage [kv] 5 Electric Field [kv/mm] 69.4 Temp 25 4 5 6 7 8 9 1 11 12-2 -4 LDPE Electric Field Distribution[V/mm] -6-8 -1 2 4 5 6 7 8 9 1 11 12-2 Bmin B1min -4 B2min B3min B4min B5min -6 B6min B7min B8min B9min -8-1
PCB ( 複合材料, 多層材料 ) の内部構造と電荷分布
電荷が動けば, 電界が変わる 8 ply であっても, アラミドが疎であれば界面まで電荷が動き, 電界を強調する 内部電界は内部のイオンの動き依存する アラミドが密であれば界面に蓄積しやすい (5ply の例 )
85 C, 85 %RH での観測も可能 マイグレーションなしで, いきなり破壊する現象が最近増加している これは内部のイオン性不純物が電極界面付近に蓄積することによる電界強調が原因と考えられる ( 超高圧での現象と類似 : 電界からみれば, 起こって当然 )
イオンマイグレーションモニタリング マイグレーションが発生すると, 正電極があたかも絶縁層内に移動したような分布となる マイグレーション発生前にも不純物イオンが電極付近に存在 ( 移動, 蓄積 ) する with Dr K. Fukunaga, NICT
電子線照射によるポリマー内の電荷蓄積 Time
汎用 Mini-PEA 試験電極ユニット ( 普及版 ) フランス宇宙研では材料内部への帯電実験のため, 真空チャンバー内に導入 日本では 85 C, 85%RH の環境試験器内で基板の劣化実験
3D PEA 試験電極ユニット ( 研究用 ) スキャン方式のため, 時間がかかるが, 高分解能 ( 面方向 :8 ミクロン程度 ) 分解能はミリ単位だが, リアルタイム
3 次元で観たイオンマイグレーション