鄧佳欣，易 忠，張 超，孟立飛，唐小金，王 斌

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，100094）

0 引言

目前，國內(nèi)外對衛(wèi)星內(nèi)帶電效應(yīng)已做了大量研究，其發(fā)生的機(jī)理為：空間高能帶電粒子穿過衛(wèi)星表面在衛(wèi)星構(gòu)件的電介質(zhì)內(nèi)部傳輸并沉積從而建立電場的過程[1]。大量的在軌實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，衛(wèi)星內(nèi)帶電的發(fā)生會(huì)對衛(wèi)星造成嚴(yán)重的損害；隨著衛(wèi)星體積不斷增大，壁厚由于重量的限制不斷減薄，電子線路的復(fù)雜度和集成度也在不斷增加，內(nèi)帶電將對航天器運(yùn)行及其提供業(yè)務(wù)的可靠性和安全性造成更為嚴(yán)重的威脅。因此，對衛(wèi)星的內(nèi)帶電問題進(jìn)行研究顯得非常必要。

衛(wèi)星內(nèi)帶電的出現(xiàn)，有兩個(gè)必要條件：一是空間高能電子通量的大幅度增加；二是大量電子投入并沉積在難以泄露電荷的組件中，如絕緣介質(zhì)材料組件——電路板。電路板是航天器上最為常見的介質(zhì)材料，也是內(nèi)帶電發(fā)生的重點(diǎn)部位。由于電路板是載荷和控制系統(tǒng)的核心部件，直接影響到航天器的功能和壽命，因此必須大力開展電路板材料內(nèi)帶電效應(yīng)地面試驗(yàn)?zāi)M和分析評估研究。

國外在電路板材料內(nèi)帶電的研究領(lǐng)域取得了多項(xiàng)研究成果，其形式有軟件及試驗(yàn)方法，如歐空局開發(fā)的DICTAT軟件[2]和A. R. Frederickson采用的改進(jìn)的試驗(yàn)方法[3]等等。然而我國在此方面的研究還處在起步階段[4-6]。

我國衛(wèi)星所使用的電路板主要是覆銅箔環(huán)氧樹脂玻璃布層壓板，簡稱FR-4。FR-4材料是一種混合材料，其介電參數(shù)測量是內(nèi)帶電研究的一個(gè)難點(diǎn)。在前期的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)FR-4的本征介電參數(shù)（本征介電參數(shù)指介質(zhì)在常態(tài)下測試的介電參數(shù)）不是永恒不變的，由于各方面的原因，它們也是變量。而FR-4生產(chǎn)商提供的介電參數(shù)值往往只是一個(gè)范圍或者是單一條件下的固定值，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足內(nèi)帶電分析評估的需要。影響介質(zhì)材料本征介電參數(shù)的因素很多，本文僅通過試驗(yàn)研究溫度變化對FR-4本征介電性能的影響規(guī)律。

1 材料介電參數(shù)測量方法

開展內(nèi)帶電效應(yīng)研究需要建立合適的空間輻射環(huán)境模型，同時(shí)選取合適的物理模型和內(nèi)部充電電場計(jì)算方法。為了對內(nèi)帶電效應(yīng)進(jìn)行定量的分析，準(zhǔn)確獲取材料的各項(xiàng)介電參數(shù)尤為重要。這些參數(shù)包括：體積電導(dǎo)率，介電常數(shù)，介電強(qiáng)度。在理想情況下，材料的本征介電參數(shù)應(yīng)該是固定數(shù)值；而實(shí)際材料中無可避免的存在著各種缺陷，同時(shí)受制備手段、加工工藝和環(huán)境條件等因素的影響，材料的結(jié)構(gòu)、成分的差異以及外界環(huán)境都將引起材料介電參數(shù)的改變。因此，開展FR-4材料本征介電參數(shù)的試驗(yàn)測量，積累材料參數(shù)測量數(shù)據(jù)，深入分析研究材料本征參數(shù)隨各種影響因素的變化規(guī)律，對內(nèi)帶電效應(yīng)評估和分析具有重要意義。

1.1 體積電導(dǎo)率測量方法

體積電導(dǎo)率為體積電阻率的倒數(shù)。體積電阻率（volume resistivity）是在絕緣材料里面的直流電場強(qiáng)度和穩(wěn)態(tài)電流密度之商，即單位體積內(nèi)的體積電阻。體積電阻率的SI單位是?·m。

體積電導(dǎo)率的計(jì)算公式為

式中：σ為電導(dǎo)率，?-1·m-1；vρ為體積電阻率，?·m；Rv為測得的試樣體積電阻，?；A為測量電極的有效面積，m2，A=π(g/2+d1+g/2)2/4，其中 g為電極間隙；h為試樣的平均厚度，m。電極試樣的尺寸見圖1所示[7]。

圖1 圓形試樣電極配置圖Fig. 1 Diagram of the circular electrode

三電極測試法的原理如圖2所示[7]。

圖2 檢流計(jì)直接測量體積電阻率原理圖Fig. 2 Principle diagram of volume resistivity measurement for galvanometer

按圖2所示的檢流計(jì)法進(jìn)行測量，體積電阻為

式中：Rv為測得的試樣體積電阻，?；U為試驗(yàn)電壓，V；N為分流比；α為檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)數(shù)，用兩次讀數(shù)的平均值表示，mm；Cg為檢流計(jì)常數(shù)，A/mm。

1.2 介電常數(shù)測量方法研究

介電常數(shù)是綜合反映介質(zhì)內(nèi)部電極化行為的一個(gè)重要的宏觀物理量[8]。

圖3為介電常數(shù)測量的示意圖。把電容器極板分別接到精密電容電橋的測量輸入端，利用螺旋測微器等精度較高的測距儀器，調(diào)節(jié)測出電容器上下極板間距離d。先測定以空氣為介質(zhì)時(shí)的電容C1，再將待測板狀電介質(zhì)加工成略小于上下極板的圓盤，放入上下電極之間，并測定有介質(zhì)時(shí)的電容C2。

圖3 介電常數(shù)測量示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the permittivity measurement

由圖3可知

在(3)和(4)式中：C0為該介質(zhì)板電容器在無介質(zhì)時(shí)的電容，C0=ε0·S/d；C邊為介質(zhì)板以外的電極間的電容；C分為測量系統(tǒng)的分布電容；C串為有介質(zhì)部分的電容與對應(yīng)的空氣電容串聯(lián)后的等值電容，即

只要在測量過程中保持極板、電容電橋、接線等狀態(tài)不變，則在兩次測量中C分和C邊都基本不變，可得：

由(6)式可知，只要兩次測量過程中保持系統(tǒng)的狀態(tài)不變，則由邊際效應(yīng)和分布電容對流量結(jié)果的影響已被消除，因此只要測出C1、C2、d、t、S即可準(zhǔn)確地計(jì)算出待測介質(zhì)的介電常數(shù) ε=ε0·εr，相對誤差可小于1%。

1.3 介電強(qiáng)度測量方法

在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，介電強(qiáng)度為擊穿電壓與施加電壓的兩導(dǎo)電部分之間距離的商。在逐級試驗(yàn)的情況下，擊穿電壓取為能耐受的最高的一級電壓值。該定義也用作材料相應(yīng)的特性。圖4為介電強(qiáng)度測量的示意圖[9]。

圖4 介電強(qiáng)度測量示意圖Fig. 4 Schematic diagram of dielectric intensity measurement

首先測出介質(zhì)厚度d，然后電源電壓按一定規(guī)律升高，直到擊穿現(xiàn)象的發(fā)生，記錄下?lián)舸r(shí)的電壓U0，即可得出介電強(qiáng)度（V/m）：

當(dāng)絕緣體兩側(cè)加上階躍電壓時(shí)，先是出現(xiàn)較大的沖擊漏電流，此電流隨時(shí)間按近似指數(shù)規(guī)律下降，最后穩(wěn)定在一較小的電流值，這種現(xiàn)象稱絕緣吸收現(xiàn)象。沖擊電流的幅值決定于所加電壓大小和材料特性，如果將測試高壓一下子加上去，沖擊電流會(huì)很大。因此合理的加壓曲線應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：1）逐漸上升，先加較低的電壓，等電流降到一定值時(shí)再升高少許電壓，逐步升壓至要求的電壓值；2）升壓曲線應(yīng)先快后慢，因?yàn)殚_始升壓時(shí)電壓較低，漏電流沖擊幅度不大，越到后段，電壓越高，越要注意避免沖擊漏電流，該曲線應(yīng)類似于硅鋼片的磁化特性。

2 FR-4介電參數(shù)隨溫度變化規(guī)律試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

CONCEPT80寬帶介電譜測量系統(tǒng)。

2.2 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

GB1410—89，固體絕緣材料體積電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率的測量方法。

GB/T 1409—88，固體絕緣材料在工頻、音頻、高頻（包括米波長在內(nèi)），相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)的試驗(yàn)方法。

2.3 試驗(yàn)預(yù)處理

試驗(yàn)前將樣品在烘箱中進(jìn)行熱處理，80℃下保持2 h。

2.4 試驗(yàn)樣品

蘇州生益科技有限公司提供的規(guī)格為 1.6H/H的A級FR-4電路板。

2.5 試驗(yàn)環(huán)境

溫度27.5℃；相對濕度58%。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)測量了FR-4電路板在多種溫度下的體積電導(dǎo)率、介電常數(shù)、介電強(qiáng)度，得出這3種介電參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。試驗(yàn)樣品為 100 mm×100 mm× 1.6 mm的普通FR-4板。

3.1 電導(dǎo)率測量結(jié)果及分析

該 FR-4電路板的體積電導(dǎo)率隨溫度變化曲線如圖5所示。

由圖 5可知， FR-4的體積電導(dǎo)率在-90 140℃的區(qū)間內(nèi)緩慢上升，而當(dāng)溫度超過140℃時(shí)，試樣的體積電導(dǎo)率急劇上升。這種現(xiàn)象可通過固體介質(zhì)的電導(dǎo)組成和高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg[10]來解釋。固體介質(zhì)的電導(dǎo)主要由電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)組成：電子電導(dǎo)的載流子是電子和空穴，其主要來源于本征熱激發(fā)、雜質(zhì)和電極注入；離子電導(dǎo)的載流子有本征熱缺陷載流子、雜質(zhì)缺陷載流子和質(zhì)子。兩種電導(dǎo)都有熱激活特性，即都會(huì)隨溫度的上升而增加。在低溫下（＜Tg），本征熱激發(fā)和熱缺陷載流子數(shù)量很少，對電導(dǎo)起主導(dǎo)作用的是雜質(zhì)引入的載流子，而它主要與摻雜量有關(guān)，溫度的影響不顯著。因此，F(xiàn)R-4的電導(dǎo)率在較低溫度范圍內(nèi)緩慢的上升。Tg是材料保持剛性的最高溫度，超過該溫度后，材料將由剛性的“玻璃態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋鹉z態(tài)”。高溫時(shí)，本征熱激發(fā)和熱缺陷載流子引起的電導(dǎo)占據(jù)主導(dǎo)地位，它與溫度關(guān)系遵循指數(shù)上升規(guī)律。本試驗(yàn)樣品的Tg為141℃，因此當(dāng)溫度超過141℃時(shí)，F(xiàn)R-4的體積電導(dǎo)率急劇上升。

3.2 介電常數(shù)測量結(jié)果及分析

該樣品的FR-4板其介電常數(shù)隨溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 FR-4電路板的介電常數(shù)隨溫度變化曲線Fig. 6 The variation of permittivity with temperatures

由圖6可知， FR-4 的介電常數(shù)在-150～140℃的區(qū)間緩慢的上升，當(dāng)超過140℃時(shí)，介電常數(shù)出現(xiàn)猛增現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可用極性聚合物的不同狀態(tài)下的分子熱運(yùn)動(dòng)來解釋。極性聚合物分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，大分子之間的束縛力是阻止各類電偶極距定向在電場方向的主要因素[11]。

FR-4中的環(huán)氧樹脂為極性聚合物，極性聚合物在玻璃化溫度以下只能發(fā)生偶極基團(tuán)轉(zhuǎn)向極化，使電容率隨溫度緩慢上升。聚合物在玻璃化溫度以下表現(xiàn)為玻璃態(tài)，試驗(yàn)所用試樣玻璃化溫度為141℃，在這個(gè)溫度以下，分子熱運(yùn)動(dòng)隨著溫度的升高而加劇，分子間的束縛力變小但整個(gè)分子鏈和局部的鏈段只能在平衡位置上振動(dòng)，不能平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，因此只能發(fā)生偶極基團(tuán)極化，使得電容率增加但不顯著。玻璃化溫度（141℃）以上，聚合物處于高彈態(tài)，分子內(nèi)鏈段因結(jié)構(gòu)單元較小、熱能足夠而開始運(yùn)動(dòng)，溫度的持續(xù)升高，使分子獲得更多能量來克服分子間的束縛力使電偶極距定向，此時(shí)會(huì)發(fā)生基于鏈段的偶極彈性轉(zhuǎn)向極化又使電容率再次上升。

3.3 介電強(qiáng)度測量結(jié)果及分析

該FR-4電路板的擊穿強(qiáng)度與溫度的關(guān)系特性如表1所示。

表1 FR-4電路板擊穿強(qiáng)度-溫度關(guān)系特性Table 1 Relationship between dielectric intensity and temperature

本試驗(yàn)DC高壓源的最高電壓為200 kV，因此20℃以下的DC擊穿強(qiáng)度只能以擊穿電壓＞200 kV（DC電氣強(qiáng)度＞125 kV/mm）來描述。從表1中可知， FR-4的介電強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，這種現(xiàn)象是因?yàn)殡娐钒逯写嬖诿芗木酆衔锉雍蜔o機(jī)/有機(jī)界面，由于兩種介質(zhì)熱膨脹系數(shù)不同，隨著溫度上升，界面電導(dǎo)上升，界面電流增強(qiáng)，有機(jī)介質(zhì)擊穿強(qiáng)度下降。

4 結(jié)論

通過測量不同溫度下FR-4的介電性能參數(shù)，得出如下結(jié)論：

1）在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 141℃以下時(shí)，試樣的體積電導(dǎo)率隨溫度的升高而緩慢增加；超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，由于試樣變成高彈態(tài)，其體積電導(dǎo)率隨溫度升高而呈指數(shù)律增加。

2）試樣的介電常數(shù)隨溫度的變化與試樣的形態(tài)有直接的關(guān)系。在玻璃化溫度141℃以下時(shí)，其介電常數(shù)隨溫度緩慢增加；達(dá)到玻璃化溫度以上時(shí)，介電常數(shù)急劇上升。

3）試樣中存在大量無機(jī)/有機(jī)界面。隨著溫度的上升，界面電流會(huì)增加，從而導(dǎo)致介電強(qiáng)度降低。

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