PEA_24回実装学会a.ppt

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

従来からの表面実装から部品内蔵基板へ 低電圧だが，電界は電力線並み！

表面実装から部品内蔵基板へ

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

Copper

高電圧電力ケーブル・機器の絶縁材料評価方法

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。 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。

2007年 JPCA-ET01規格に追加された項目

2007年 JPCA-ET01規格に追加された項目

「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」 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 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。

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，

絶縁材料内部の電荷分布の測定法

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

試料 圧電センサー 0.3mmPET EB照射 電荷分布 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 150 200 250 300 position C h ar ge d e n si ty [C / m 3 ] 0.3mmPET EB照射 電荷分布 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 150 200 250 300 position C h ar ge d e n si ty [C / m 3 ] 0.3mmPET 16 15

(5ns, 50-600 V at 400 Hz)

８５℃度８５％RH環境下での測定

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 ２）プリアンプの温度特性を配慮し試験機外に設置 １）温度特性のよいセンサーを使用 検出部 恒温恒湿槽内に設置 アンプ部 恒温恒湿槽外に設置

８５℃度８５％ＲＨ環境下での空間電荷測定

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 同一硬化条件にて硬化 吸水率差は Ａ＜Ｂ＜Ｃ 配合比を変えて吸水率差があるＡ，Ｂ，Ｃサンプル 測定条件 85℃85%RH環境下で1時間放置後、10kV/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

８５℃度８５％ＲＨ環境下での電荷分布経時変化

［A］ 85℃85% 30hr 電荷分布 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 70 80 90 100 110 120 position C h ar ge d e n si ty [C / m 3 ] 10min 10hr 30hr ［C］ 85℃85% 30Hr 電荷分布 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 70 80 90 100 110 120 position C ha rg e d e ns it y [C /m 3 ] 10min 10hr 30hr ［B］ 85℃85% 30Hr 電荷分布 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 70 80 90 100 110 120 position C h ar ge d e n si ty [C / m 3 ] 10min 10hr 30hr 吸水率差は Ａ＜Ｂ＜Ｃ 印加電界 10kV/mm anode cathode

anode cathode anode

８５℃度８５％ＲＨ環境下での電界分布経時変化

８５℃度８５％ＲＨ環境下での電界分布経時変化

吸水率差は Ａ＜Ｂ＜Ｃ ［A］ 85℃85% 30Hr 電界分布 -60000 -50000 -40000 -30000 -20000 -10000 0 10000 20000 60 80 100 120 position C ha rg e d e ns it y [v / ㎜ ] 10min 10hr 30hr ［B］ 85℃85% 30Hr 電界分布 -60000 -50000 -40000 -30000 -20000 -10000 0 10000 20000 60 80 100 120 position C h ar ge d e n si ty [v / ㎜ ] 10min 10hr 30hr ［C］ 85℃85% 30Hr 電界分布 -60000 -50000 -40000 -30000 -20000 -10000 0 10000 20000 60 80 100 120 position C h ar ge d e n si ty [v / ㎜ ] 10min 10hr 30hr 印加電界 10kV/mm anode cathode anode cathode anode cathode

測定結果及び考察

測定結果及び考察

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。 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。 結果 考察

まとめ

まとめ

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. 2004

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。

内部に電荷がない均一な電界分布

内部に電荷がない均一な電界分布

内部電荷により不均一な電界分布

内部電荷により不均一な電界分布

PET エポキシ 30μ 80μ

電荷サンド

コンデンサ

電荷サンド

コンデンサ

Q=CV

(0.2 mm PS, 2 kV)

EB照射により内部に電荷が存在する測定例 １

EB照射により内部に電荷が存在する測定例 １

サンプル： 0.3mm PET板にEB照射し内部 にマイナス電荷を注入 0.3mmPET EB照射 電荷分布 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 150 200 250 300 position C h ar ge d e n si ty [C / m 3 ] 0.3mmPET EB照射 電荷分布 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 150 200 250 300 position C h ar ge d e n si ty [C / m 3 ] 0.3mmPET 0.3mmPET EB照射 電界分布 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 0 50 100 150 200 250 300 position E le ct ri c F ie ld [V /㎜ ]

0.3mmPET 0.3mmPET EB照射 電位分布

-1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 0 50 100 150 200 250 300 position e le c tr ic p o te n ti al [V ] 0.3mmPET

EB照射により内部に電荷が存在する測定例 ２

EB照射により内部に電荷が存在する測定例 ２

サンプル： 0.3mm 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 経 時 変 化 B W1 A 電 荷 分 布 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 0 50 100 150 200 250 300 BW1A 1104 BW1A 1106 BW1A 1113 経 時 変 化 B W 1 A 2 Kv 電 荷 分 布 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 0 50 100 150 200 250 300 BW1A 1104 BW1A 1106 BW1A 1113

高電界によるサンプルへの電荷注入の測定例

高電界によるサンプルへの電荷注入の測定例

Measurement conditions Thickness [mm] 0.073 Applied Voltage [kV] 5 Electric Field [kV/mm] 69.4 Temp 25℃

LDPE Charg Distribution[C/m3]

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 40 50 60 70 80 90 100 110 120 B0min B1min B2min B3min B4min B5min B6min B7min B8min B9min サンプル：0.073ｍｍLDPEに 5kV印加し1min間隔での空間 電荷の経時変化

LDPE Electric Field Distribution[V/mm]

-100000 -80000 -60000 -40000 -20000 0 20000 40 50 60 70 80 90 100 110 120 B0min B1min B2min B3min B4min B5min B6min B7min B8min B9min

PCB

(複合材料, 多層材料)

の内部構造と電荷分布

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）。

電荷が動けば，電界が変わる

電荷が動けば，電界が変わる

85˚C, 85 %RH での観測も可能

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。）

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。

イオンマイグレーションモニタリング

イオンマイグレーションモニタリング

電子線照射によるポリマー内の電荷蓄積

電子線照射によるポリマー内の電荷蓄積

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

汎用 Mini-PEA 試験電極ユニット(普及版)

スキャン方式のため，時間がかかるが， 高分解能（面方向：80ミクロン程度）。 分解能はミリ単位だが， リアルタイム。

3D PEA 試験電極ユニット(研究用)

3D PEA 試験電極ユニット(研究用)

3次元で観たイオンマイグレーション