航天器高電壓、大電流柔性線路傳輸模型建立及分析

陳 滔 周國云 李玖娟 何 為 楊 猛 張彬彬 飛景明 畢建民 王守緒 陳苑明

1(北京衛(wèi)星制造廠有限公司 北京 100080)

2(電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院 成都 610054)

3(新華海通(廈門)信息科技有限公司 廈門 361012)

1 引 言

隨著印制電路在電子信息技術(shù)中的快速發(fā)展，采用印制電路替代電纜越來越受到關(guān)注。能夠傳輸高電壓、大電流的柔性線路是實現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段[1]。但在實際應(yīng)用過程中，高電壓容易造成如導(dǎo)電性陽極絲(Conductive Anodic Filamentation，CAF)的系列問題。CAF 全稱為導(dǎo)電性陽極絲，是指 PCB(Printed Circuit Board)內(nèi)部銅離子從陽極(高電壓)沿著玻纖絲間的微裂通道，向陰極(低電壓)遷移過程中發(fā)生的銅與銅鹽的漏電行為[2-3]。PCB 板材是由玻璃絲編織成玻璃布，然后涂環(huán)氧樹脂半固化后制成。樹脂與玻纖之間的附著力不足或含浸時膠性不良，兩者之間容易出現(xiàn)間隙，加之在鉆孔等機械加工過程中，由于切向拉力及縱向沖擊力的作用對樹脂黏合力的進一步破壞，可能造成玻纖束被拉松或分離而出現(xiàn)間隙[4-6]。在高溫高濕的環(huán)境下，環(huán)氧樹脂與玻纖之間的附著力更加容易出現(xiàn)劣化，并促成玻纖表面硅烷偶聯(lián)劑化學(xué)水解，沿著玻纖增強材料形成可供電子遷移的通路?；谝陨蠗l件，若此時距離較近的兩條線路之間存在電勢差，那么電勢較高的陽極上的銅會被氧化成為銅離子，隨后銅離子在電場的作用下向電勢較低的陰極遷移，而在遷移過程中與板材的雜質(zhì)離子或 OH－結(jié)合，生成了不溶于水的導(dǎo)電鹽并沉積下來，由此兩條線路之間的電氣間距急劇下降，嚴(yán)重的甚至可以直接導(dǎo)通形成短路[7-9]。因此，CAF 效應(yīng)已經(jīng)是一個 PCB 業(yè)內(nèi)較為熱門的可靠性問題之一。

目前在航天電源模塊中，線路的電壓高達 300 V、電流高達 10 A，這要求線路之間必須具備良好的絕緣性[10]。國內(nèi)對于高壓擊穿的研究主要局限于高壓輸電和柔性線路在航天器中的性能設(shè)計方面，同時國內(nèi)外也還沒有從機理上對相應(yīng)的性能提出設(shè)計規(guī)則[11]。因此，本文針對高壓 CAF 大電流傳輸要求，使用 COMSOL 軟件建立了相應(yīng)高壓擊穿模型，比較了柔性電路中不同線路間距下的耐 CAF 能力。同時還通過建立有無聚酰亞胺(PI)為介質(zhì)的模型，比較在 10 A 大電流時線路周圍的溫度和電流密度分布情況。此外，還通過改變模型中聚酰亞胺的厚度，研究線路周圍溫度和電流密度的變化。

2 高壓擊穿模型建立

柔性電路聚酰亞胺(PI)基材是一種性能優(yōu)良、可靠性高的理想材料，但聚酰亞胺具有較強的化學(xué)惰性，很難直接進行黏接。聚酰亞胺的其他物理參數(shù)如表 1 所示。

為了提高銅層與聚酰亞胺之間的結(jié)合力，通常需要將銅嵌入聚酰亞胺樹脂中[12]。這也導(dǎo)致在蝕刻過程中，會有種子層殘留在線路之間。因此柔性線路之間也存在兩種情況，一種是線路之間只有聚酰亞胺絕緣層，另一種是線路之間有種子層。根據(jù)上述情況，本文通過 COMSOL 軟件建立高壓擊穿模型時，在保證線路之間間距為2 mm 的情況下將模型分成了兩種情況：(1)線路之間為聚酰亞胺絕緣層，如圖 1 所示；(2)線路之間存在種子層，其中種子層尺寸為 2 μm×200 μm，均勻地分布在線路之間，具體如圖 2 所示。

圖1 CAF 高壓擊穿模型Fig. 1 CAF high voltage breakdown model

圖2 CAF 高壓擊穿模型(加種子層 2 μm×200 μm)Fig. 2 CAF high voltage breakdown model (with seed layer 2 μm×200 μm)

3 高壓擊穿模型仿真結(jié)果與討論

3.1 高壓 CAF 擊穿技術(shù)研究

在實驗中，設(shè)計了線路之間為 PI 絕緣層和線路之間為尺寸 2 μm×200 μm 種子層的兩種模型。通過前期大數(shù)據(jù)系列仿真，確定線路之間的高壓擊穿出現(xiàn)在兩個節(jié)點上，即不含種子層的線路在 10 000 V 附近才發(fā)生擊穿效應(yīng)，而含有種子層的線路在 4 000 V 時開始發(fā)生擊穿。圖 3 和圖 4 所示分別為兩種模型施加 4 000 V 和 10 000 V 的電壓情況。

圖3(a)顯示，當(dāng)線路之間為 PI 絕緣層時，對其施加 4 000 V，線路之間漏電流約為 0.2～0.3 mA，小于 1 mA。除此之外，此時線路周圍的線路尖角發(fā)生了少量的放電現(xiàn)象，電流約為 1.2 mA，略大于 1 mA，根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)判定為線路之間沒有發(fā)生擊穿現(xiàn)象[13]。同時將相同高壓加載在有種子層的線路上時，線路之間漏電流明顯大于 1 mA；并且電流從源端逐漸向終端進行流動，PI 上電流分布也從源端到終端逐漸減小，但最小電流都大于 1 mA。這表明，此時線路之間發(fā)生了擊穿，而且 PI 絕緣層越靠近源端越容易被擊穿。 繼續(xù)升高加載電壓至 10 000 V，在兩種模型下的電流分布結(jié)果如圖 4 所示。在線路之間為 PI 絕緣層時，加載 10 000 V 電壓后，線路之間漏電流超過 1 mA，此時線路之間發(fā)生了擊穿現(xiàn)象，如圖 4(a)所示。而且兩條線路周圍電流分布完全不一致，甚至表現(xiàn)為線路兩端電流分布完全相反。而線路之間有種子層的情況在 4 000 V 時已經(jīng)發(fā)生擊穿，隨著加載電壓的增加，線路之間的擊穿現(xiàn)象更加明顯，線路周圍的電流分布也隨著電壓的增加而增大，如圖 4(b)所示。同時觀察圖 4(b)發(fā)現(xiàn)：在 10 000 V 電壓下，靠近源端的電流能夠接近 10 mA，而且無論是源端、還是終端或種子層，均發(fā)生了強烈的放電現(xiàn)象，這將會產(chǎn)生極大的電損耗。另外，有種子層時線路周圍的電流分布與線路之間為 PI 絕緣層的線路周圍電流分布完全不同。前者線路周圍的電流密度隨著電流從源端到終端逐漸減小，與該模型在 4 000 V 加載電壓時的線路周圍電流分布情況一致。

表1 聚酰亞胺材料參數(shù)Table 1 Polyimide material parameters

圖3 在 4 000 V 加載電壓時線路之間不同材料的擊穿計算結(jié)果圖Fig. 3 The breakdown calculation results of different materials between the lines when the voltage is loaded at 4 000 V

圖4 10 000 V 加載電壓時線路之間不同材料的擊穿計算結(jié)果圖Fig. 4 The breakdown calculation results of different materials between the lines when a voltage of 10 000 V is applied

雖然在線路之間有種子層時施加 4 000 V 和 10 000 V 電壓，線路與種子層都會發(fā)生擊穿現(xiàn)象，但在航天電源模塊中，線路的電壓值只有 300 V，因此將施加電壓降為 300 V 時，結(jié)果如圖 5 所示。從圖 5 可知，將擊穿電壓降低至 300 V 后，電壓擊穿現(xiàn)象弱化，線路之間的漏電流低于 0.1 mA，說明有種子層的情況下線路之間未發(fā)生擊穿現(xiàn)象。因此，在電源模塊中設(shè)計線路之間有 2 μm×200 μm 尺寸的種子層是可行的。在保證存在種子層時的可靠性問題前提下，線路在 300 V 高壓加載下也不會發(fā)生放電現(xiàn)象，充分保障了電源模塊在使用過程中的安全。

圖5 在 300 V 加載電壓時線路之間有種子層的擊穿計算結(jié)果圖Fig. 5 The breakdown calculation result of a seed layer between the lines when the voltage is applied at 300 V

本文針對種子層的另一種結(jié)構(gòu)也進行了設(shè)計計算。設(shè)計種子層的尺寸為 2 μm×50 μm，均勻地分布在線路之間，如圖 6 所示。

圖6 CAF 高壓擊穿模型(加種子層 2 μm×50 μm)Fig. 6 CAF high voltage breakdown model (with seed layer 2 μm×50 μm)

與大尺寸的種子層相比，小尺寸種子層發(fā)生的擊穿現(xiàn)象更強烈，即更容易發(fā)生擊穿。當(dāng)加載電壓為 4 000 V 時，電流隨著源端到終端傳輸過程中，線路與種子層的電流密度逐漸減小。其中，靠近源端處時，有部分種子層的電流大于了 1 mA，發(fā)生了擊穿；而靠近終端處的種子層，電流集中在 1 mA 左右，基本沒有發(fā)生擊穿，如圖 7(a)所示。當(dāng)升高電壓至 10 000 V 時，隨著電流從源端逐漸向終端進行流動，聚酰亞胺靠近源端的電流能夠超過 10 mA，也是逐漸從源端開始發(fā)生擊穿。因此越靠近源端，聚酰亞胺越容易被擊穿，具體如圖 7(b)所示。另外，在 10 000 V 電壓下，無論是源端、還是終端或種子層，聚酰亞胺都發(fā)生了強烈的放電現(xiàn)象，這都會產(chǎn)生極大的電損耗。同樣當(dāng)線路上施加電壓降為 300 V 時，除了源端有少量的放電現(xiàn)象外，其他區(qū)域并無放電現(xiàn)象，且所有區(qū)域的漏電流在 1 mA 左右，表明線路之間沒有發(fā)生擊穿現(xiàn)象。

通過上述仿真結(jié)果可知，本文中設(shè)計線路之間的間距為 2 mm 可以較好地保障線路之間的耐壓能力。即使在線路之間存在較大尺寸的種子層，本設(shè)計結(jié)構(gòu)也可以滿足要求，在電源模塊中不會發(fā)生介質(zhì)層擊穿現(xiàn)象，保證線路不會發(fā)生短路現(xiàn)象。在實際柔性線路制作過程中，只要在顯微鏡下沒有觀察到線路之間存在明顯的種子層，就可以保障項目產(chǎn)品具有滿足要求的耐壓能力。

3.2 大電流損耗(溫升)研究

本文除了模擬高壓下線路之間的擊穿問題外，還設(shè)計了 4 層柔性電路仿真模型，其中包括了線路和通孔。采用 COMSOL 軟件模擬通孔對 4 層線路傳輸 10 A 電流，且周圍介質(zhì)為 PI 時的損耗研究，4 層柔性電路模型如圖 8 所示。

實驗中在通孔上加載 10 A 的電流，采用 COMSOL 對該結(jié)構(gòu)進行運算，電路的散熱與電流密度分布結(jié)果如圖 9 所示。由于隔離的電路之間不存在散熱交叉協(xié)同效應(yīng)，對圖 8 模型進行簡化——只對單根線路進行仿真。需要說明的是，該線路不含聚酰亞胺外層保護介質(zhì)。

圖7 線路間有尺寸為 2 μm×50 μm 種子層時加載不同電壓的擊穿計算結(jié)果圖Fig. 7 The breakdown calculation results of a seed layer with a size of 2 μm×50 μm between the lines when different voltages are applied

圖8 4 層柔性電路仿真模型Fig. 8 4-layer flexible circuit simulation model

從圖 9(a)可知，當(dāng) 10 A 電流在 4 層柔性印制電路板上傳輸時，電路板溫度上升到 306 K，溫度升高 13 ℃。電流密度分布方面(圖 9(b))，在通孔端末，電流密度較小，其他部位較為均勻，介質(zhì)層電流為零。

除了單一線路在傳輸 10 A 電流時的仿真結(jié)果以外，本文還針對含有 PI 保護膜(厚度為 50 μm)的柔性電路在相同條件下進行仿真，結(jié)果如圖 10 所示。

圖9 散熱仿真結(jié)果圖Fig. 9 Thermal simulation results

圖10 三條大電流傳輸線的協(xié)同效應(yīng)Fig. 10 Synergistic effect of three high-current transmission lines

從圖 10(a)可知：由于線路之間距離較遠，而使用的 PI 保護膜的導(dǎo)熱能力較差，因此，線路在通電時產(chǎn)生的熱量無法大量地向周圍擴散，導(dǎo)致線路之間的溫度最低。該電路板表面的溫度最低可達到 319 K，最高處的溫度為 325 K，即最高升溫為 33 ℃。因此，在柔性電路中，大電流下的散熱主要依靠靠近銅板區(qū)域散熱，試圖通過將柔性印制電路尺寸擴大進而提高散熱并沒有明顯效果。但在 10 A 大電流下，4 層有 PI 保護膜的柔性印制電路板上最高升溫為 33 ℃，沒有超過設(shè)定值 40 ℃，也滿足應(yīng)用要求。電流密度分布方面(圖 10(b))，在通孔端末，電流密度較小，其他部位較為均勻，介質(zhì)層電流為零，與圖 9(b)中電流密度分布情況基本一致。由此可知，有無 PI 保護膜對線路通孔的電流密度分布基本沒有影響。但對比有無 PI 保護膜時，電路板表面溫度明顯不同，且 PI 保護膜的存在使得電路溫度提高了 20 ℃。由此可知，PI 保護膜的存在對電路散熱影響較大。

為了進一步驗證柔性電路表面 PI 保護膜對導(dǎo)線散熱的影響，本文還將 PI 保護膜的厚度由原模型的 50 μm 更改為 25 μm，在相同電流條件下采用模型進一步仿真，結(jié)果如圖 11 所示。

圖11 PI 保護膜厚度為 25 μm 時電流傳輸線協(xié)同效應(yīng)的溫度分布圖Fig. 11 Temperature distribution diagram of synergistic effect of current transmission line when PI protective film with a thickness of 25 μm

對比圖 10(a)和圖 11 可知，PI 保護膜厚度的更改對電路表面溫度變化沒有明顯影響。當(dāng)保護膜厚度減小時，電路表面最高升溫溫度只降低了 1 ℃ 左右。這表明，PI 保護膜的厚度對電路表面的散熱無明顯影響。

除了模擬仿真推測電路溫度變化外，本文還進行相應(yīng)實驗——采用紅外成像設(shè)備對線路的溫度分布進行驗證，結(jié)果如圖 12 所示。在圖 12 中，實驗中柔性線路在 10 A 電流下的溫升為 39 ℃，比仿真結(jié)果高 6 ℃。推測仿真結(jié)果與試驗結(jié)果不一致的原因主要來源于兩方面：(1)環(huán)境溫度，在模擬中環(huán)境溫度為 25 ℃，而實際測試環(huán)境溫度為 34 ℃，由于空氣的熱交換能力較弱，導(dǎo)致溫度上升較多。(2)柔性線路的實際銅電阻值并不是模擬時的理想值，前者比后者高，因此電流通過時，產(chǎn)生的熱量更多，溫度更高。

圖12 試驗中柔性電路表面溫度測試圖Fig. 12 Test diagram of the surface temperature of the flexible circuit in the test

4 仿真結(jié)果討論與分析

通過仿真模型的建立，模擬了不同種子層分布下線路之間耐高壓的能力。對于沒有種子層的情況，電路之間耐電壓能力較強，可達到 10 000 V，這基本對于所有的航天部件都能夠滿足要求[14]。但是，在實際制作過程中，種子層的殘留不可避免。根據(jù)常規(guī)蝕刻下種子層尺寸，設(shè)計了 200 μm 和 50 μm 的均勻分布層。通過仿真可以看到，電路之間的耐壓能力急劇下降，即從 10 000 V 降低至約 4 000 V。該種子層的設(shè)計比較理想化，也比較密集，而實際生產(chǎn)過程中，種子層密集度不會如此高。因此，可以推測在高壓情況下，線路之間的耐壓能力不會低于 4 000 V。因此在 4 000 V 以下的載流，其漏電流可忽略不計，即不發(fā)生擊穿現(xiàn)象。

在大電流方面，理論模型較為準(zhǔn)確地模擬了線路傳輸大電流情況下線路溫升的情況，給予了線路大電流設(shè)計的理論基礎(chǔ)。文中比較了不同條件(不同 PI 厚度和施加不同電流)下的散熱情況。從結(jié)果可以清楚看到，阻擋大電流散熱的介質(zhì)主要是聚酰亞胺覆蓋膜材料。該材料導(dǎo)熱性能較差，其存在導(dǎo)致線路的散熱溫度上升 20 ℃，影響很大。

本研究首次建立了高壓作用下線路之間的擊穿問題，分析了大電流下線路發(fā)熱的情況，為線路的設(shè)計提供了一種行之有效的理論基礎(chǔ)。通過本模型，設(shè)計師可以方便地設(shè)計高電壓、大電流的印制電路載流線路。此外，采用“高電壓、導(dǎo)電性陽極絲、柔性線路和大電流”等關(guān)鍵詞在中國知網(wǎng)、萬方以及 Web of Science 等數(shù)據(jù)庫中對研究內(nèi)容進行檢索，尚未找到與文章研究內(nèi)容相關(guān)的研究方向，體現(xiàn)了本項目在研究內(nèi)容方面的開創(chuàng)性。

通過實測與模型對比發(fā)現(xiàn)，本模型與實際測試結(jié)果仍存在一定的偏差，這在于實際線路傳輸過程中受到眾多因素的影響。因此，實現(xiàn)更為精準(zhǔn)的模型還需將各種因素加載至模型中，在下一步工作中繼續(xù)完善模型，使其更接近實際結(jié)果。

5 結(jié) 論

本文通過 COMSOL 軟件建立線路之間的高壓擊穿模型，比較了相同線路間距之間存在 PI 絕緣介質(zhì)和種子層時柔性電路的耐 CAF 能力，最終確定在大電流下線路之間間距為 2 mm 時，無論線路之間有無種子層，線路之間都具有較好的耐擊穿能力。同時，還通過建立有無 PI 保護膜的模型，比較在 10 A 大電流下，4 層柔性電路板表面的溫度與電流密度的分布情況。相應(yīng)仿真結(jié)果表明，PI 保護膜的存在明顯影響電路表面的溫度分布，最高溫差達到 33 ℃。但 PI 保護膜的存在，不會影響電路表面電流密度的分布。另外，PI 保護膜的厚度對電路表面溫度分布并無明顯影響。同時，相應(yīng)實驗結(jié)果表明，在有 PI 保護膜時，電路表面溫度分布的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果存在一定的誤差，而這一誤差是由環(huán)境溫度和線路的銅線電阻導(dǎo)致的。