图1 传统封装结构示意图[1]
Fig.1 Traditional packaging structure schematic diagram[1]
摘要 电力电子设备的小型化与高功率密度化的发展趋势，对其配套绝缘材料的性能要求日益提高。封装材料与器件、键合线等结构之间存在大量界面，这些界面作为绝缘薄弱环节长期承受复杂电场作用，可能会引发局部放电、电树枝等电损伤问题。而目前针对复杂电场下印制电路板（PCB）封装绝缘的相关研究较少。该文通过对比分析交流和直流电压下双层PCB试样的电树枝特性，以及交/直流电压下双层PCB试样的局部放电特性，结合能量色散谱仪（EDS）表征层间绝缘损伤成分，探究了交/直流电场下PCB层间绝缘劣化机理的差异。实验结果表明，在交流电压下双层PCB试样的电树枝以枝状电树枝为主，局部放电是驱动交流下电树枝损伤生长的关键因素；在直流30 kV正压下双层PCB试样以枝状电树枝为主，当外施电压为28 kV时试样在V形电极附近生长铜须。交流下电树枝中的放电由外施电压的拉普拉斯场和电荷构建的泊松电场共同决定，在非导电电树枝中可以通过放电序列的外施电压差评估电树枝的生长程度；直流下电树枝的放电存在明显的记忆效应，在电树枝生长前期，平均放电时间间隔与放电幅值存在线性关系。双层PCB试样在交/直流下的电树枝放电幅值均随着电树枝的生长而增长，交流下电树枝的放电幅值与电树枝长度、放电序列电压差存在定量关系。较低的直流电压下双层PCB试样层间损伤为以Cu、Cl元素为主的铜盐，由于双层试样界面强度相对较弱，在强电场的作用下Cu离子在界面处迁移形成枝状损伤，因此在PCB直流工程应用中，需要充分考虑放电引发的电树枝和电化学迁移导致的铜须问题。
关键词：电树枝 局部放电 交/直流 双层PCB结构 界面损伤 电化学迁移
电力电子设备的小型化与高功率密度化的发展趋势，对其配套绝缘材料的性能要求也越来越高。印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）作为功率器件嵌入式封装的重要绝缘部件[1]，其可靠性对设备的使用寿命至关重要。传统封装结构示意图如图1所示，通过封装材料对器件进行绝缘保护和热管理。封装材料与器件、键合线等结构之间存在大量界面，这些界面作为绝缘薄弱部分长期承受复杂的电场变化，可能会出现局部放电（Partial Discharge, PD）、电树枝等电损伤问题[2-5]。
图1 传统封装结构示意图[1]
Fig.1 Traditional packaging structure schematic diagram[1]
近些年研究人员对不同绝缘材料的界面绝缘劣化问题也非常重视。S. Nakamura等研究了频率、上升时间和极性对重复电压脉冲下的硅凝胶界面电树枝的影响，发现正极性放电呈丝状，负极性放电呈纺锤状，并且电树枝长度随频率的增加和上升时间的减少而增加[6]。Zhou Kai等研究了不同水树老化程度下极化电流与去极化电流的差异，在极化过程中，界面极化电流先增大后减小，而弛豫时间常数先减小后增大；在去极化过程中，界面极化电流随着弛豫时间常数的增加而逐渐减小，水树老化越严重，不对称现象就越明显[7]。王雅妮等研究了不同温度下交联聚乙烯-硅橡胶的交直流电树枝及放电特性，发现局部放电特征量与电树枝发展阶段密切相关，异质绝缘界面对电树枝发展起阻碍作用，并且温度升高将促进电树枝的进一步生长[8]。Su Yu等研究了界面压力对交联聚乙烯和硅橡胶界面电树枝的影响，发现电树枝的起树电压随着界面压力的增加而增加[9]。Wang Chuang等研究了界面特性对电树枝和击穿的影响，发现界面的存在抑制了电树枝的发展：当电场方向平行于界面时，界面的存在增强了交流击穿强度；而当电场方向与界面垂直时，交流击穿强度降低，界面处的陷阱捕获影响载流子输运，进而影响界面绝缘强度[10]。
也有一些学者研究了复杂电场对绝缘材料劣化的影响[11-14]。刘贺晨等研究了直流叠加冲击电压的交联聚乙烯电树枝特性，以及交直流复合电压下电树枝的生长和放电特性，结果表明直流叠加冲击电压下电树枝的引发特性具有一定的极性效应：当直流叠加异极性冲击电压时，负极性直流叠加正极性冲击电压下电树枝引发率高于正极性直流叠加负极性冲击电压的情况[11]。Chen Xiangrong等研究了氧化铝纳米填料对低密度聚乙烯材料抗电树特性的影响，结果表明交流下起树电压随填料含量的增加而增加，直流预应力电树呈丝状分支结构，分支通道数随着纳米填料的加入而增加[12]。I. Iddrissu等研究了交流下起树形貌对于不同极性直流电树枝的影响，结果表明初始交流电树枝长度对后续不同极性直流电树枝的生长均有影响，并指出这类影响是由于缺陷大于空间电荷注入区域导致[13]。Du Boxue等研究了直流叠加谐波对环氧电树枝的影响，发现电树枝长度和损伤面积随着谐波次数的增加而呈非线性变化趋势，叠加低次谐波对环氧树脂的损伤更大[14]。
目前对于封装绝缘问题的研究越来越多，本课题组前期工作聚焦交流下PCB双层试样的电树枝与放电问题，发现双层PCB中电树枝可以分为四个阶段，并且不同阶段的放电特性不同；同时，基于放电序列电压差的变化，发现其与放电幅值、电树枝长度存在定量关系；此外，在对电树枝生长速率的分析中发现，能拓展至电树枝末端的放电次数是影响电树枝生长速率的关键因素[15-16]。虽然已经对交流下双层PCB试样的电树枝与放电特性进行了很多研究，但对直流电场下其劣化过程的阐述还不够明确。本文通过对比分析交、直流电压下双层PCB试样的电树枝特性，以及交、直流电压下双层PCB试样的局部放电特性，结合能量色散谱仪（Energy Dispersive Spectrometer, EDS）表征层间绝缘损伤成分，探究交、直流电场下PCB层间绝缘劣化机理的差异。
为更好地模拟电子设备中PCB的层间结构，本文采用了图2中的试样结构，其中上表面采用环氧灌封胶，下底板采用覆铜板，高压电极采用V形结构，确保电极尖端产生极不均匀场，能快速、可重复地引发电树枝。试样主要包含环氧灌封胶和覆铜板两个部分，底部采用生益科技有限公司提供的覆铜板，覆铜板的材料主体为玻璃纤维增强环氧树脂；高压端采用铜箔制成的V形结构，角度为30°，接地铜线采用直线，V形的尖端处与地线之间的距离为0.8 mm，铜线厚度为0.01 mm、宽为2 mm。试样的制取细节可以参考文献[15]。
图2 试样结构的正视图和侧切面图
Fig.2 The front view and side view of the PCB sample
电树枝与局部放电测试系统示意图如图3所示。局部放电测试系统满足标准IEC 60270:2000，MPD600用于测试PD信号，噪声水平低于1 pC。起树电压的测量采用逐步升压法，由于直流电压下材料存在明显的空间电荷积聚效应，环氧灌封胶和PCB的空间电荷达到稳态的时间大约为30 min[17]，因此逐步升压法中每个电压等级耐压30 min，电压每次升高1 kV，升压速率为0.2 kV/s。
图3 电树枝与局部放电测试系统示意图
Fig.3 The schematic of electrical tree and PD test circuit
交直流下的起树电压通过双参数Weibull分布描述，该分布可以描述绝缘材料在相应电场强度下的击穿概率。由于电树枝的引发是局部区域被击穿的结果，因此可以用双参数Weibull分布来描述双层试样在相应电压下引发电树枝的概率[18]。
（1）
式中，F(·)为累积概率；U为引发电树枝的电压；α为刻度参数，表示累积击穿概率为63.2%时引发电树枝的电压；β为形状参数，表示数据离散度的倒数。
为深入探究电树枝在交直流下电损伤的形貌特性，将试样的环氧灌封胶与下层覆铜板进行剥离，通过EDS观察覆铜板的表面形貌以及元素分布。测试选取尺寸约为5 mm×5 mm的生长电树枝区域，试样在低真空、加速电压为15 kV、工作距离为9.1 mm的条件下进行测试，通过电子束照射试样，并绘制电损伤的微观形貌和相关元素分布。EDS采用天美（中国）科学仪器有限公司的钨灯丝扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）。
为了对比交直流下双层PCB试样的电树枝引发特性，本文通过逐步升压法对试样的起树电压进行了测试，当电树枝的长度超过10 μm视为成功引发电树枝。在交流和直流下各测试了10个试样，并对其起树电压进行Weibull拟合，得到25℃时交直流电压下的起树电压Weibull分布如图4所示。从图4可以看到，直流电压下起树电压的形状参数为35.19，刻度参数为30.41 kV；交流下起树电压峰值的形状参数为6.51，刻度参数为17.74 kV，直流下的起树电压大于交流下的起树电压。交直流电压下电树枝的起树形貌如图5所示，可见交、直流电压下的电树起始形貌均为枝状电树，电树枝形貌有单枝也有多个分支的情况。
图4 交直流电压下的起树电压Weibull分布
Fig.4 Weibull fitting plot of initial electrical tree voltage under AC and DC voltages
图5 交直流电压下电树枝的起树形貌
Fig.5 The initial electrical tree morphology under AC and DC voltage
对起树后的电树枝分别施加交流10 kV、直流30 kV及直流28 kV的电压，得到不同交直流电压下的电树枝形貌如图6所示。当外施电压为交流10 kV时，电树枝主要呈枝状，电树枝生长在环氧灌封胶与环氧基板的界面附近，大部分电树枝分支生长在环氧灌封胶中，并且当电树枝长度在0.6 mm左右时试样会直接被击穿，如图6a所示。而在直流电压下，电损伤的形貌则会更加复杂。如图6b所示，当试样在直流30 kV下耐压时，电树枝快速生长，试样在电树枝未生长至地电极时发生击穿，从加压至击穿的时间为135 s。当外施电压较低时，如图6c所示，电树枝在生长一段时间后停止，随后在电极尖端附近出现新的电损伤形貌，并且随着时间的增加，这部分损伤会沿着V形电极的边缘生长。这些电损伤主要呈现为短小的电树枝，并伴有少量的较长分支，V形电极周围的电树枝并不是呈现典型的丛状或枝状电树枝。对于这部分损伤，本文后续将进一步分析。
图6 不同交直流电压下的电树枝形貌
Fig.6 Electrical tree morphologies under different AC and DC voltages
交流下电树枝在生长过程中的局部放电相位分布（Phase-Resolved Partial Discharge, PRPD）谱图如图7a和图7b所示。由图可见，PRPD谱图在电树枝击穿前主要呈翼状分布，放电幅值从12 pC增加到150 pC，放电主要发生在10°～90°以及180°～270°相位范围内。随着电树枝长度的增加，放电相位拓展到-10°～90°以及150°～270°。PRPD谱图反映了不同时刻电树枝内放电幅值与相位的特点，而放电序列的电压差谱图（dV图）可以通过放电时外施电压差的变化反映放电区域的电场变化，从而更好地评估电树枝内部的放电特性[15, 19-20]。图7c、图7d为不同时刻电树枝放电的序列电压差谱图。由图可见，在电树枝生长的前10 s内，dV图呈现以直线为主、包含少量四边形的混合图形，放电电压差在12 kV附近；随着电树枝的生长，dV图逐渐转变为双钩六边形，电压差主要集中在±9 kV及±4 kV附近。因此，在交流电压下，电树枝放电的电压差呈现明显的特征分布。电树枝内部通道的放电由电树枝通道内的电场分布决定[19-20]，电树枝的电场分布主要由两部分组成：一部分是外施电压产生的拉普拉斯场，另一部分是由放电后的残余电荷以及针尖、电树枝内壁注入的电荷产生的泊松电场。环氧内部的电树枝根据局部放电特性可以分为非导电电树枝和导电电树枝，其中导电电树枝往往表现为难以测量的小幅值放电。从放电机制来看，通常认为导电电树枝内部的电荷迁移不可忽略，而两次放电之间非导电电树枝内部的电荷迁移导致的泊松电场（空间电荷自建电场）相对于外部电压带来的电场变化可忽略不计。交流下放电示意图如图8所示，图中，Vp为正弦电压的峰值。在相邻的两次放电过程中，针尖电场强度从放电结束后的Ex升高至放电阈值电场强度Ec，与之对应的针尖处的电势，即外施电压，从V1升高至V2，即升高了dV1（dV1=V2-V1）。类似地，在下降半周期，从t3时刻放电结束至t4时刻放电发生时，非导电电树枝针尖处的电场强度从Ex下降至-Ec，相应的针尖电势变化了-dV2=V4-V3[19-20]。当每周期放电4次时，放电的电压差变化为dV1、-dV2、-dV1、dV2，在电压差序列谱图上呈现菱形；随着电树枝的生长，电树枝的局部放电起始电场也在下降，每周期放电次数增加，当每周期放电6次及以上时，放电的电压差序列为dV1、dV1、-dV2、-dV1、-dV1、dV2，在电压差序列谱图上呈现为双钩六边形[19-20]。根据本文测试所得结果可以看出，在10 s时，dV谱图呈现菱形，随着电树枝的生长，dV谱图转变为双钩六边形。PCB在交流下的局部放电间特征电压差不随相位和瞬时外施电压变化，表明其内部的电荷迁移未影响下一次放电的电压，因此其内部电荷迁移可忽略不计，PCB在交流下的电树枝是典型的非导电电树枝。
图7 交流下电树枝生长不同时期放电的PRPD谱图和dV图
Fig.7 PRPD pattern and dV plots of discharge during different stages of electrical tree growth under AC
图8 交流下放电示意图
Fig.8 Diagram of discharge under AC voltage
直流30 kV耐压下电树枝生长过程放电量与前一次及后一次放电量的关系如图9所示。在电树枝生长的前70 s，放电量q与前次放电量Qpre的谱图q-Qpre以及放电量q与下次放电量Qsuc的谱图q-Qsuc呈现明显的线性关系；在电树枝生长的后70 s也满足线性关系。这表明电树枝生长过程中的放电存在记忆效应，这可能与电树枝通道内空间电荷积累导致放电延迟时间增加有关[21]。
图9 直流下电树枝生长过程放电量与前一次及后一次放电量之间的关系
Fig.9 The relationship between the discharge magnitude and the last and next discharge magnitude during the growth process of electrical under DC voltage
直流30 kV耐压下电树枝生长过程放电幅值与放电时间间隔的关系如图10所示。在电树枝生长的前期，放电时间间隔在0～1.5 s之间；随着放电幅值的增加，上次放电时间间隔Δtpre与下次放电时间间隔Δtsuc也在增加，并且存在一定的线性关系。在电树枝生长70 s之后，放电时间间隔在0.2～1.8 s范围内，随着放电幅值的增加，Δtpre与Δtsuc并不呈现明显的线性相关关系。
图10 直流下电树枝生长过程放电幅值与放电时间间隔的关系
Fig.10 The relationship between discharge magnitude and discharge time interval during the growth process of electrical tree under DC voltage
U. Fromm提出时间等待恢复模型用以解释直流下的局部放电过程[22]，当电场强度达到放电的最小电场强度Emin时才可能发生放电。基于图11所示的直流放电模型电场变化示意图，设tR,i为等待电场强度恢复到第i次放电所需的最小电场强度时需要的时间，tL,i为第i次放电所需的时间延迟，tL,pre(i)与tL,suc(i)分别为第i次放电的前一次放电所需的时间延迟和第i次放电的后一次放电所需的时间延迟，tR,pre(i)与tR,suc(i)分别为前一次放电和后一次放电所需的电场强度恢复到Emin的时间，∆tpre(i)为第i次放电与前一次放电之间的时间间隔，∆tsuc(i)为第i次放电与下一次放电之间的时间间隔，tpre(i)、ti与tsuc(i)分别为第i次放电前一次放电时刻、第i次放电时刻以及第i次放电后一次放电时刻。对于直流下的放电提出以下假设：①放电幅值q与放电发生瞬间的电场强度超出最小放电电场强度Emin的大小有关；②放电后的残余电场强度与放电发生瞬间的电场强度超出Emin的大小有关；③放电事件的发生是随机且互不相关的。基于上述假设，可得出放电时间间隔与放电幅值之间的关系[22]为
（2）
（3）
式中，
为与上一次放电的平均时间间隔；
为与后一次放电的平均时间间隔；
和
分别为放电延迟时间和放电恢复时间，均与放电幅值q相关；
为平均放电延迟时间；
为平均放电恢复时间。可以看到在电树枝的生长初期，放电的时间间隔满足时间等待恢复模型。电树枝的平均放电恢复时间主要取决于电树枝内部电场分布，即一部分由外施电压产生的拉普拉斯场，另一部分由残余电荷以及材料内部空间电荷产生的泊松电场。直流电压下外施电压保持不变，放电残余电荷以及材料内部空间电荷是影响电树枝内部电场强度的主要因素。由于电树枝在70 s之前的长度相对较短，因此随电树枝长度的变化并不明显；在电树枝生长至70 s后，电树枝出现两个主体分支，其放电可能发生在多个分支通道中，因此放电时间间隔并不完全满足上述模型。
图11 直流放电模型电场变化示意图
Fig.11 The schematic diagram of electric field variation in DC discharge model
图12、图13分别为交流10 kV、直流30 kV下电树枝生长过程的放电幅值以及电树枝长度的变化。在交流电压下，随着电树枝长度的增加，放电幅值也在增加。交流电压下电树枝的生长主要由放电驱动[16, 23-25]，电树枝生长不同阶段的PRPD谱图以及dV图都存在明显的差异。非导电电树枝的放电幅值与序列电压差以及电树枝长度存在定量关系[15]，即
（4）
式中，Q为最大放电幅值；ε0为真空介电常数；l为电树枝总长度；VI、VX分别为放电起始电压和放电终止电压。随着电树枝长度的增加，电树枝通道内空腔增大，更长的树枝意味着更大的放电空间，允许更多电荷参与放电，放电可延展的长度也越长。虽然电树枝长度增加，放电次数增多，但并不是所有放电均能延展至电树枝的末端，这些放电虽然可以被检测到，但对于电树枝长度的生长影响较小，更多的是促进电树枝通道的拓展，因此电树枝的生长速率由能传播至电树枝末端的放电决定[15-16]。直流下的电树枝生长与放电也基本满足电树枝总长度随放电幅值的增加而增加的规律，电树枝的生长也主要由能达到电树枝末端的放电决定。但在较低电压下，虽然可以看见枝状损伤的增加，但并不能检测到局部放电，为此需对这类损伤的成分进行进一步分析。
图12 交流下电树枝生长过程的放电幅值以及电树枝长度的变化
Fig.12 The trend of electrical tree length and partial discharge magnitude during the process of tree growth under AC voltage
图13 直流下电树枝生长过程的放电幅值以及电树枝长度的变化
Fig.13 The trend of electrical tree length and partial discharge magnitude during the process of tree growth under DC voltage
在交直流电压下，电树枝生长过程的放电存在一定的相似性，即放电的发生需要电树枝内部电场强度达到放电的阈值电场强度。电树枝内的电场由外施电压和通道内部电荷共同决定。在不同的电压形式下，电树枝的电场分别由不同的部分主导，直流下放电主要由电荷迁移引起的电场变化主导，放电的时间间隔与放电幅值的关系可以反映电树枝内部电荷迁移导致的电场变化情况；而交流下则更多由外施电压的变化主导，通过放电序列的电压差反映电树枝不同生长阶段的特性，并且通过电压差与最大放电幅值定量表征电树枝放电传播的长度。能延展至电树枝末端的放电次数是影响电树枝生长的关键因素，直流电压下受制于电荷的迁移速率，电场的变化不如交流下迅速，因此交流下电树枝的放电次数远大于直流下的放电次数，即使直流电压幅值更高，交流下的电树枝生长速率也大于直流下的电树枝生长速率。
图6中已经给出了两种直流电树枝的形貌。在较低直流电压下长时间耐压会发现电损伤沿V形电极侧面一直生长，而在更低直流电压下耐压更长时间也存在这类损伤形貌，如图14所示。直流下电树枝的起始应在V形电极尖端处，远离尖端的高压电极附近的电场很难达到起树电压，但测试结果显示这类树枝状损伤的出现并非偶然。为进一步探究这类损伤的来源，将存在这类损伤的试样进行EDS分析。由于损伤存在于环氧灌封胶和覆铜板的界面处，因此需要对其接触界面分别进行分析。
图14 直流下耐压的覆铜板界面处电损伤形貌
Fig.14 The morphology of electrical damage at the interface of copper-clad laminates withstand DC voltage
直流下耐压后覆铜板与环氧灌封胶接触界面的EDS元素分布和SEM形貌如图15所示。通过SEM图像可以看到，铜电极尖端存在明显的损伤，损伤呈现明显的枝状，并且损伤并不完全集中在最尖端的区域。这部分损伤明显存在一定的体积，而电树枝的枝状损伤是由炭化后的物质包裹着气体的中空结构[26]。结合SEM图像的损伤区域和铜电极的区域范围可以看到，在电极以及电损伤处存在大量的Cu元素和Cl元素，并且C元素分布在铜电极及损伤以外的区域，这也意味着这类损伤并不是典型的电树枝损伤，较低直流电压下的枝状损伤以Cu和Cl元素形成的铜盐为主。
图15 直流下耐压的覆铜板界面处电损伤的EDS元素分布和SEM形貌
Fig.15 EDS elemental distribution and SEM image of electrical damage at the interface of copper-clad laminates withstand DC voltage
为进一步探究其Cl元素的来源，测试了纯环氧灌封胶、铜箔与覆铜板接触面以及铜箔下的覆铜板表面的元素分布。图16为去除铜箔后覆铜板表面的元素分布，可以看到除去基本的C元素和O元素外只有非常少量的Cu元素和Cl元素；图17为纯环氧灌封胶的元素分布，可以看到基本上不含Cu、Cl元素；图18为接触覆铜板的铜箔背面的元素分布，可以看到，铜箔背面除了含有大量C、O以及Cu元素外，还有大量Cl元素，结合图15中V形电极表面的元素分布，可以确定枝状损伤的大量Cl元素来源于铜箔表面以及背面。这些Cl元素可能是铜箔刻蚀后的残留。
图16 去除铜箔后覆铜板表面的元素分布
Fig.16 Element distribution of copper-clad laminates after copper foil removal
图17 环氧灌封胶的元素分布
Fig.17 Element distribution of epoxy encapsulation
图18 铜箔背面的元素分布
Fig.18 Element distribution on the back of copper foil
在PCB铜线的相关研究中有关于铜盐的形成原因[27-30]。首先，多层PCB发生界面劣化时会受多种因素的影响，包括机械应力、温度、高湿度以及助焊剂残留物等[28-29]，然后铜离子沿着劣化界面从阳极迁移到阴极，最终导致绝缘失效。双层PCB的界面处恰巧是绝缘薄弱处，在V形电极这种极不均匀电场的作用下，Cu离子沿电场方向发生迁移，因此形成与电树枝不同的损伤形貌。Cu的电化学迁移速率也受Cl和Br等卤族元素的影响。Cl离子可以改变电化学反应的速率，还可以与Cu形成稳定的腐蚀产物[30]，这都与EDS元素分布结果相吻合。
PCB中铜箔常采用电解与压延等方式[31]，铜箔的微观形态与传统高压电力设备的金属微观形貌不同。电解铜箔内部的晶体结构为垂直针状结晶，这种表面粗糙度高的铜箔在高压直流的作用下可能更容易导致Cl离子和Cu离子的迁移。尤其是PCB的铜箔会进行刻蚀以及表面处理等程序，可能会导致在铜箔上残余易引起电化学迁移的物质。因此，在直流高电场下，铜须问题是与电树枝和放电同等重要的问题。
本文首先测量了双层PCB试样在交直流下的电树枝生长与放电特性，对比分析了不同电压形式下电树枝的形貌特征；然后对交直流下电树枝的放电特性进行了分析；最后通过EDS分析了交直流下双层PCB试样电损伤差异的原因以及层间损伤的来源，具体结论如下：
1）双层PCB试样在交流下的损伤与直流下的损伤不完全相同：交流下电树枝以枝状电树枝为主；直流下既会产生枝状电树枝，也会在长时间较低电压作用下诱发铜须生长。
2） 局部放电是驱动交流下电树枝损伤生长的关键因素，交流下电树枝中的放电由外施电压的拉普拉斯场和电荷构建的泊松电场共同决定，在非导电电树枝中可以通过放电序列的外施电压差评估电树枝生长强度；直流下电树枝的放电存在明显的记忆效应，在电树枝生长前期，平均放电时间间隔与放电幅值存在线性关系。双层PCB试样在交直流下的电树枝放电幅值均随着电树枝的生长而增长。
3）较低直流电压下，双层PCB试样层间损伤为以Cu、Cl元素为主的铜盐，由于双层试样界面强度相对较弱，在强电场的作用下Cu离子在界面处迁移形成枝状损伤。在PCB直流工程应用中，需要充分考虑放电引发的电树枝与电化学迁移导致的铜须问题。
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Electrical Damage and Discharge Characteristics of Double-Layer PCB under AC and DC Voltages
Abstract The trend of miniaturization and high power density of power electronic equipment has led to increasingly high requirements for the performance of insulation materials used in equipment. There are a large number of interfaces between packaging materials, devices, bonding wires, and other structures. These interfaces, as weak insulation parts, need to withstand complex electric field changes for a long time, which may cause electrical damage problems such as partial discharge and electrical trees. Currently, there are few insulation problems in printed circuit board (PCB) packaging under complex electric fields. This article compares and analyzes the electrical tree characteristics of double-layer PCB samples under AC and DC voltages, as well as the partial discharge characteristics of double-layer PCB samples under AC and DC voltages. Combined with energy dispersive spectrometer (EDS) characterization of interlayer insulation damage components, it explores the differences in the mechanism of interlayer insulation degradation of PCB under AC and DC electric fields.
Firstly, the initial voltage of double-layer V-shaped PCB samples under AC and DC voltages was measured. The difference in initial voltage under AC and DC voltages was compared using a two parameter Weibull distribution. The results showed that the shape parameter of the starting voltage under DC voltage was 35.19, and the scale parameter was 30.41; The shape parameter of the peak voltage of the tree under communication is 6.51, and the scale parameter is 17.74. Comparison of the morphology of electrical tree under AC and DC，the electrical tree of double-layer PCB sample are mainly branch-like under AC voltage, while the morphology of the electrical tree under DC voltage is different between lower and higher voltages. At 30 kV positive voltage, the double-layer PCB sample shows similar branch-like tree as under AC voltage, but with relatively fewer branches. When the applied voltage is 28 kV, there are multiple branching points around the V-shaped electrode.
Afterwards, the discharge characteristics during the growth process of AC/DC electrical trees were measured, and the variation of discharge magnitude with the length of electrical trees during the growth process was compared and analyzed. It was found that the maximum discharge magnitude gradually increased with the increase of electrical tree length. Based on phase-resolved partial discharge (PRPD) pattern and discharge sequence voltage difference method, the characteristics of electrical tree discharge under AC were analyzed. The voltage difference plot of the discharge sequence of electrical trees under AC changes from a linear shape to a double-hook hexagonal as the length of the electrical tree increase. The analysis of electrical tree discharge under DC voltage was conducted by comparing the time difference between adjacent discharges. The time difference of the discharge sequence under DC is positively correlated with the magnitude of the previous discharge during the early stage of electrical tree growth。
Finally, based on EDS of electrical damage under AC and DC voltages, the differences in damage of double-layer PCB samples under AC and DC voltages were revealed. It was found that the damage of double-layer PCB samples under lower DC voltage amplitudes was a multi start point branched damage. The results of EDS confirmed that it was a copper salt containing Cu and Cl elements, and distributed on both sides of the PCB and epoxy resin. Due to the relatively weak interface strength of the double-layer sample, Cu ions migrate and form dendritic damage at the interface under the action of a strong electric field.
keywords：Electrical tree, partial discharge, AC and DC, double-layer PCB structure, interface damage, electrochemical migration
中图分类号：TM215.1
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.250871
国家自然科学基金（U23B20138）和电工材料电气绝缘全国重点实验室（EIPE23302）资助项目。
收稿日期 2025-05-26
改稿日期 2025-06-10
宋剑虹 男，1998年生，博士研究生，研究方向为电树枝、局部放电等电气设备绝缘问题。
E-mail：ljh19981106@stu.xjtu.edu.cn（通信作者）
吕泽鹏 男，1987年生，教授，博士生导师，研究方向为介电绝缘材料的电荷传输、电树枝、局部放电和老化寿命等。
（编辑 李 冰）