上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 認(rèn)證中心 張宇清

數(shù)據(jù)采集儀在表面絕緣電阻測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用
——以安捷倫3498數(shù)據(jù)采集儀為例

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 認(rèn)證中心 張宇清

近年來(lái)，隨著電子產(chǎn)品小型化和集成化程度的提高，PC（印制電路板）B的線距越來(lái)越小。也正因此，PCB的絕緣可靠性尤其是離子遷移就成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，PCB的絕緣可靠性問(wèn)題已引起了越來(lái)越多的電子產(chǎn)品（尤其是汽車(chē)電子產(chǎn)品）制造企業(yè)的關(guān)注。

一、技術(shù)論述

由于PCB在制造過(guò)程中一般都要經(jīng)歷膠片制版、圖形轉(zhuǎn)移、化學(xué)蝕刻、過(guò)孔和銅箔處理、助焊和阻焊處理等多道工序，在這些工序處理過(guò)程中會(huì)使用大量的化學(xué)溶劑，雖然期間經(jīng)也經(jīng)過(guò)了多道清洗工序，但在PCB表面或多或少仍會(huì)殘留少量化學(xué)溶劑。電子產(chǎn)品在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于電、溫度和濕度等因素的共同作用，這些殘留溶劑會(huì)發(fā)生電解，部分離子發(fā)生遷移現(xiàn)象，從而導(dǎo)致PCB導(dǎo)線之間絕緣性能的下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)痣娮赢a(chǎn)品的失效。

各大電子產(chǎn)品制造企業(yè)為了解和驗(yàn)證PCB在長(zhǎng)期使用過(guò)程中表面殘留離子對(duì)其絕緣性能的影響程度，以及PCB絕緣性能的退化趨勢(shì)，在IPC–TM–650 2.6.3《PCB表面絕緣電阻測(cè)試方法》的基礎(chǔ)上對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行了一些改進(jìn)。

1.試驗(yàn)樣品。定制有固定圖形（一般為叉指形狀）、固定線距的PCB，數(shù)量在四五十片到數(shù)百片之間。具體測(cè)試樣品圖形如圖1～6所示。

2.試驗(yàn)條件。在高溫高濕的環(huán)境（溫度40 ℃，RH93% 或溫度85 ℃，RH85%）中，在樣品引出端之間施加一定的直流電壓（一般為10 ～ 50 V），并持續(xù)一定的時(shí)間（500 h或1 000 h）。

3.數(shù)據(jù)采集。在上述試驗(yàn)條件下，以一定的周期間隔（少則20 min或30 min，多則24 h，監(jiān)測(cè)每片樣品的絕緣電阻值。通過(guò)觀察樣品絕緣電阻值在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)的變化，來(lái)了解PCB絕緣性能的退化程度和離子遷移對(duì)PCB絕緣性能的影響程度。

由于這項(xiàng)試驗(yàn)周期長(zhǎng)、樣品數(shù)量多、數(shù)據(jù)采集量和試驗(yàn)人員的工作量巨大，多家試驗(yàn)設(shè)備制造商均開(kāi)發(fā)了表面絕緣電阻的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)（AM I或AEI），但這些系統(tǒng)價(jià)格較為昂貴，其測(cè)試通道大多只能擴(kuò)展到100～200個(gè)，設(shè)備的專用性較強(qiáng)；不適合對(duì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室或企業(yè)的大批樣品進(jìn)行同時(shí)試驗(yàn)，也不能滿足其進(jìn)行通用性試驗(yàn)的需求。

實(shí)際上，許多實(shí)驗(yàn)室可以利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集儀自行搭建表面絕緣電阻測(cè)試系統(tǒng)，既能保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，又可降低試驗(yàn)成本，而且這些系統(tǒng)還可方便地進(jìn)行測(cè)試通道的擴(kuò)展。本文，筆者就如何利用安捷倫的34980數(shù)據(jù)采集儀搭建表面絕緣電阻測(cè)試系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)在使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)加以闡述，以期對(duì)同行有所參考。

二、試驗(yàn)基本原理

考慮到正常樣品在試驗(yàn)條件下的絕緣電阻值通常會(huì)大于100 MΩ，遠(yuǎn)大于測(cè)試線路中的測(cè)試用電阻，因此，可以根據(jù)歐姆定律和基爾霍夫定律，采用取樣電阻法搭建測(cè)試電路，測(cè)試電路如圖7所示。

由于DUT和Vcc，R1，R2構(gòu)成串聯(lián)電路，所以依據(jù)基爾霍夫定律，電路中通過(guò)DUT，R1，R2的電流相等，結(jié)合歐姆定律，可得出測(cè)試樣品（DUT）電阻值的計(jì)算公式：

由于在正常情況下，R1和R2上的電壓降遠(yuǎn)小于測(cè)試樣品（DUT）的電壓降，對(duì)最終的測(cè)試結(jié)構(gòu)影響較小，在計(jì)算時(shí)可將對(duì)其忽略不計(jì)，式（1）可以簡(jiǎn)化為

三、試驗(yàn)設(shè)備

在該試驗(yàn)系統(tǒng)中，除了配備常規(guī)的直流電源外，最重要的檢測(cè)設(shè)備就是數(shù)據(jù)采集儀。通常情況下測(cè)試絕緣電阻會(huì)使用絕緣電阻儀（高阻計(jì)），但由于絕緣電阻儀在讀數(shù)時(shí)會(huì)對(duì)樣品有一個(gè)極化時(shí)間，一般耗時(shí)30～60 s，且只能由人工操作，這對(duì)于讀數(shù)間隔短、大批量樣品的測(cè)試顯然是不適合的。因此，可以采用安捷倫的34980A數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行讀數(shù)，該設(shè)備與絕緣電阻儀相比，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

1.讀數(shù)精度高。在100 mV量程檔，每個(gè)測(cè)試通道的最小讀數(shù)可達(dá)0.003 5 mV。

2.讀數(shù)快。掃描速度高達(dá)1 000個(gè)通道/s ，并可自行設(shè)定讀數(shù)間隔。

3.便于對(duì)批量樣品的測(cè)試。

4.設(shè)置簡(jiǎn)單，并可在顯示屏上觀察各通道讀數(shù)的變化趨勢(shì)。

5.存儲(chǔ)量大。設(shè)備在測(cè)試過(guò)程中能自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，測(cè)試完成后還可將數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入Excel文件進(jìn)行后期處理。

四、試驗(yàn)方法

1.第一步：樣品前期處理。

（1）連接線焊接。由于樣品需要在高溫高濕環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間通電測(cè)試，所以為防止連接樣品和電源的導(dǎo)線以及數(shù)據(jù)采集儀之間的導(dǎo)線在長(zhǎng)時(shí)間高溫高濕條件下絕緣性能退化，進(jìn)而影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，建議選用可耐受150 ℃的特氟龍高溫導(dǎo)線，并按圖8所示將連接線焊接在樣品的兩個(gè)引出端上。接線如圖8所示。

為了便于放置和讀數(shù)，可將樣品分為若干組，如將10或20片樣品組成一組，每組正極并聯(lián)后用一根連接線引出，每片樣品的負(fù)極與取樣電阻串聯(lián)后單獨(dú)引出一根連接線并編號(hào)。此外，在焊接時(shí)需要防止助焊劑和殘錫沾污樣品，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（2）樣品放置。將每組樣品垂直放置在專用樣品托架上，然后將托架牢固固定在溫濕度箱的柵盤(pán)上，并將連接線從通線孔引出。放置方式如圖9所示。

2.第二步：測(cè)試線路的搭建。

（1）按圖7所示將所有樣品的正極和限流電阻R1一端相連接，限流電阻R1另一端與直流電源正極相連接，將取樣電阻R2另一端和直流電源負(fù)極相連接。

（2）將數(shù)據(jù)采集儀的每個(gè)測(cè)試通道和每個(gè)樣品所連接的取樣電阻并聯(lián)。

（3）將數(shù)據(jù)采集軟件中數(shù)據(jù)采集儀的各測(cè)試通道設(shè)定為測(cè)量電壓，并選擇適當(dāng)?shù)牧砍?，同時(shí)設(shè)定讀數(shù)間隔。

3.第三步：進(jìn)行測(cè)試。開(kāi)啟溫濕度箱，設(shè)定所需的溫濕度條件，待試驗(yàn)箱內(nèi)的溫濕度條件達(dá)到試驗(yàn)條件并穩(wěn)定后，接通直流電源，設(shè)定測(cè)試電壓，同時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行讀數(shù)，直至試驗(yàn)結(jié)束。

4.第四步：數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)結(jié)束后，將從取樣電阻R2讀取的電壓值按式（1）或式（2）轉(zhuǎn)換為樣品的表面絕緣電阻值；由于絕緣電阻值的量級(jí)差異較大，需要將絕緣電阻值取l g對(duì)數(shù)，以縮小趨勢(shì)圖上的波動(dòng)幅度；然后通過(guò)Excel作圖功能，完成樣品數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖。另外，還可觀察試驗(yàn)后樣品表面，查看是否有離子遷移現(xiàn)象發(fā)生，并拍照記錄。離子遷移如圖10所示。

五、試驗(yàn)中應(yīng)注意事項(xiàng)

1.樣品前期處理階段。

（1）樣品連接線應(yīng)選用耐高溫高濕、絕緣性能好的高溫導(dǎo)線，并在每次試驗(yàn)前進(jìn)行更換。

（2）焊接連接線時(shí)應(yīng)防止樣品表面被污染。

（3）焊接時(shí)注意焊點(diǎn)的空焊和虛焊。

（4）放置樣品時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，防止試驗(yàn)箱內(nèi)水汽凝結(jié)在樣品表面，從而影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.試驗(yàn)階段。

（1）在施加測(cè)試電壓前，對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理48～96 h，有利于減小測(cè)試數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍。

（2）定期將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行備份，防止發(fā)生異常情況導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

（3）在質(zhì)量電源輸入端加入毫安表監(jiān)視測(cè)試電流，防止測(cè)試線路中出現(xiàn)局部短路導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

（4）在每組樣品中用試驗(yàn)用高溫導(dǎo)線組成雙絞線，并串聯(lián)一個(gè)750 MΩ的校驗(yàn)電阻，定期監(jiān)測(cè)其阻值變化，以監(jiān)測(cè)高溫導(dǎo)線的絕緣性能退化程度。

六、試驗(yàn)中異?，F(xiàn)象及分析

1.異常一：試驗(yàn)初期48～72 h，測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大波動(dòng)。

（1）原因。由于試驗(yàn)初期部分采用涂覆工藝的樣品表面所吸收的水分尚未達(dá)到飽和，導(dǎo)致絕緣電阻值波動(dòng)過(guò)大。

（2）解決方法。在施加測(cè)試電壓前，對(duì)樣品充分預(yù)處理，同時(shí)在試驗(yàn)開(kāi)始階段連續(xù)監(jiān)視數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，檢測(cè)時(shí)間持續(xù)96 ～ 120 h，看變化趨勢(shì)是否穩(wěn)定；若120 h后數(shù)據(jù)波動(dòng)仍然較大，導(dǎo)線絕緣性能或樣品焊點(diǎn)質(zhì)量是否可靠。

2.異常二：試驗(yàn)中個(gè)別數(shù)據(jù)出現(xiàn)躍變。

（1）原因。由于數(shù)據(jù)采集儀取值時(shí)間較短，當(dāng)讀數(shù)時(shí)，樣品尚未被完全極化。其絕緣電阻值尚未穩(wěn)定，就會(huì)出現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象。

（2）解決方法。使用絕緣電阻測(cè)試儀對(duì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)躍變的樣品進(jìn)行復(fù)測(cè)。

3.異常三：部分樣品出現(xiàn)虛焊或空焊現(xiàn)象。

（1）原因。工作人員操作不認(rèn)真。

（2）解決方法。由工作人員認(rèn)真檢查，排除連接線中的虛焊或空焊現(xiàn)象。

4.異常四：樣品絕緣電阻值連續(xù)出現(xiàn)小于106 Ω的現(xiàn)象。

（1）原因。部分樣品叉指間出現(xiàn)導(dǎo)通或短路現(xiàn)象

（2）解決方法。通過(guò)對(duì)校驗(yàn)電阻的監(jiān)測(cè)，確定高溫導(dǎo)線絕緣性能是否退化。檢查樣品表面是否有冷凝水凝結(jié)，如有，調(diào)整樣品擺放位置。檢查樣品焊點(diǎn)是否出現(xiàn)連焊現(xiàn)象。

排除上述因素后，可用絕緣電阻測(cè)試儀復(fù)測(cè)讀數(shù)異常的樣品的絕緣電阻值，以確定是否由于測(cè)試圖形叉指間出現(xiàn)導(dǎo)通或短路造成失效，以便在試驗(yàn)后的觀察中重點(diǎn)關(guān)注。

七、測(cè)試系統(tǒng)的局限性

該測(cè)試系統(tǒng)與部分專業(yè)定制的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)相比，還存在以下局限。

1.試驗(yàn)前搭建和調(diào)試系統(tǒng)耗時(shí)較多，且需要操作人員具有一定的專業(yè)知識(shí)。

2.操作界面不如自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)、潔明了。

3.尚不能直接讀取絕緣電阻值，測(cè)試數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)公式轉(zhuǎn)換成絕緣電阻。

4.讀數(shù)尚不能自動(dòng)備份到計(jì)算機(jī)中，需要試驗(yàn)人員定期導(dǎo)入。如遇計(jì)算機(jī)或測(cè)試設(shè)備發(fā)生故障、停電等異常，可能會(huì)造成部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)的丟失，影響試驗(yàn)進(jìn)程和結(jié)果判定。

八、結(jié)論

該測(cè)試系統(tǒng)在表面絕緣電阻測(cè)試方面具有精確度高、擴(kuò)展性好、通用性強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，是實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行表面絕緣電阻測(cè)試時(shí)的一種較好選擇。