电路技术研究学会（Institute of Circuit Technology，简称ICT）自1974年成立以来，一直致力使英国的技术人员与PCB行业的发展保持同步。ICT运营工作已逐步回到正轨，但作为行业学习与非正式交流机会的线下研讨会，要重新恢复可能还需一段时间，其间，ICT将继续提供一流的线上活动。今年的ICT秋季线上研讨会于9月7日举行，会上，高压测试和高阶天线材料领域的顶尖专家发布了最新研究成果。此次会议由ICT主席Emma Hudson主持。

 

PCB和涂层的高压局部放电测试

国家物理实验室的高级研究科学家Martin Wickham介绍了PCB和涂层高压局部放电测试的最新研究进程。

 

Martin Wickham

使用更高的工作电压是未来的趋势，尤其在汽车和大功率电子应用中。尽管基于陶瓷的器件会导致产品质量大且成本高，但其仍是电源模块的首选。有机印制电路基板的潜在优势往往受到放电效应的限制。完全放电通常与灾难性故障相关，为人们所熟知，但对于局部放电的机理，目前还在研究中。

这些效应具备哪种性质？Wickham首先描述了当强电场从原子中拉出价电子时发生击穿，从而导致电子移动，形成完全放电，他对比了空气和PTFE环境的高击穿场强度值和低击穿场强度值。相比之下，在电场超过局部介电击穿强度时，两个导体之间的绝缘位置会发生“火花”般的局部放电。这种现象可能会发生多次，并逐渐降低介质的击穿强度。帕邢定律定义击穿电压为气体压力和电极之间距离的乘积，该定律在航空航天应用中具有特殊意义，因为压力会随着高度的变化而发生改变。

Wickham阐释了局部放电现象。当电压变化率达到最高时会产生局部放电，高频再加上温度升高、气压降低也会增加发生局部放电的可能性。另外，要考虑到其他因素复杂的相互作用，例如电压波形、湿度和污染情况等因素。

国家物理实验室的合作项目评估了一系列用于检测室内环境和较低压力下局部放电的天线。包括圆形天线、基于PCB的成品商用天线、长单极和短单极以及双绞绝缘线对。双绞线对被选为测试载体，目前的工作计划是研究频率、过压、大气压力和波形产生的影响。Wickham介绍了测试设备，并指出健康和安全是主要关注的问题，因为该设备在高达5kV的电压下工作。电气系统包括电源装置、波形发生器和高压放大器。真空室可使压力降低至0.01MPa，并且随着测试材料逐渐老化，同时监测其绝缘电阻。

他使用500Hz正弦信号在双绞线对上展示了局部放电的测试结果。在起始电压为3.8 kV峰峰值的情况下，每个周期可以观察到两次局部放电尖峰，相当于1.343kV的均方根（RMS）电压。熄灭电压的峰峰值为3.2kV，样品的绝缘阻抗约为50GΩ。在电压设置为3.8kv以支持连续局部放电的正弦1kHz波形下，样品老化8.5小时后，绝缘电阻已降至小于10mΩ。目前的工作计划是研究频率、过压、大气压力和波形（正弦或方波）的影响。

在另一个单独的实验中研究了涂层，对B24型试样涂敷市面在售的三防漆后，在85°C/85%RH环境下常规50Vdc SIR测试中完成老化，观察表面绝缘阻抗、介电耐受电压和介质击穿。经过1000小时的测试，观察到表面绝缘电抗未下降。在1500 V电压下持续进行1分钟介电耐受电压测试，样品均未显示任何破坏性放电。漏电电流小于10μA，符合IPC和ASTM标准的要求。当施加3.6 kV峰峰值电压、50 Hz方波信号时，可以观察到局部放电。在另一个实例中，4.22kV峰峰值电压、1kHz正弦信号时，会导致绝缘阻抗急剧下降，仅5分钟后就出现了失效。

计划使用曼彻斯特大学设计的试样完成进一步的研究，有3家供应商已同意提供涂层样品进行评估。国家物理实验室正在寻求PCB制造商展开合作，对具有代表性的走线和间隙尺寸提供建议，从而扩大试样使用的材料范围。Wickham强调了这项工作的重要性，因为高压电子设备的应用日益增多，即使功率模块设计人员指定陶瓷基板，PCB局部放电无法避免，可能造成更多损坏。

 

最关键的挑战

CHASM Advanced Materials公司首席市场官Ken Klapproth在开幕致辞中表示：“经历了数十载的技术进步，连接稳定性仍然是5G技术面临的挑战。”紧接着，他介绍了一种新型高阶材料如何帮助人们克服这个最关键的挑战。

 

Ken Klapproth

回顾过去40年，从早期的模拟系统到如今新兴的5G技术，移动电话已经更新换代了好几代，但不可否认的是，人们在打电话时还是会有中断的情况发生。尽管与4G相比，5G网络具有低延迟、通信容量和网络效率提高的特点，但其连接稳定性仍然是挑战，因为5G的运行波长信号范围相对有限，可能会被自然环境和物理障碍阻断。“许多技术在进步，但似乎总是迂回曲折的。身为工程师，有时我们会自己给自己制造麻烦。”

Klapproth设想了不久后可能出现天线市场暴发：据预测，随着5G、智慧技术和物联网技术在世界范围内的推行，每台设备连接入网都必须使用天线，未来四五年内必然会生产出几百亿个天线需求。即使有先进的天线技术，大多数连接还是要在可视范围内才能实现高速数据传输率并最大程度地减少干扰。到处都会出现5G信号塔和天线，比如街灯和交通信号灯上会有，工厂和办公楼内部也会布满无线网络接入点。这些天线要如何近距离的前提下又能隐藏起来或者放在不显眼的位置？自动驾驶汽车和先进的汽车安全系统又要如何实现？窗户玻璃被认为是潜在可行的解决方案，因为大楼、设备外壳和汽车上都会使用玻璃，只需留出足够区域并妥善固定即可。但从美学和实用角度来看，天线必须是透明的。Klapproth简述了新材料所具备特性，其能够解决设计难题并满足设计要求。

他解释，天线通常使用银、铜或铝等强导电金属制成，以无线电波的形式传导电。趋肤效应（即交流电分布在导体内的趋势使得电流密度在表面附近达到最高）随着频率的升高而增加。在射频下，电流仅在导电材料的表面有效流动，因此极薄的材料可以支持高频传输。目前，很少有材料是既导电又透明。氧化铟锡在市场上一直占据主导地位，但使用此材料成像形成导电图形，工艺复杂、昂贵。

一种被称为纳米管混合体的新型材料使透明天线成为了可能，可以达到所需的导电性和透明度，且可以通过简单的丝网印刷而不是激光烧蚀完成成像。Klapproth概述这类材料的组成和结构。

他使用高倍放大图展示了随机排列的金属棒，可见银纳米线嵌入在意大利面形状的单壁碳纳米管矩阵中。通过添加更多银纳米线或增加其直径来提高导电性，但这也会导致透明度降低。而这种混合材料克服了导电性和透明度之间难以实现的平衡，利用了纳米管的独特特性——自组装并能使纳米导线之间的非导电区域具有导电性，而且将导线黏合在一起，让弯曲或热压成型等操作成为可能。即使导电棒被破坏，纳米管中也有足够的冗余导电支持信号继续传输。这种材料的导电性和透明度优于任何现有材料。

如何与透明导电膜连接？标准的金属网和银纳米导线膜需要某种环保的外涂层，但这样做又会有效隔离导电层，并且需要蚀刻、机械研磨或激光烧蚀以进行连接。相比之下，在纳米管混合体中，碳在操作环境中能保持稳定且可以防潮，同时还能实现外部电气连接。

Klapproth 展示了天线电路实例，通过丝网印刷纳米管油墨到金属网膜上，油墨加倍形成抗蚀剂层，然后蚀刻掉暴露的金属网制成该电路。他介绍了行业已采用此方案的项目和应用，如单极蓝牙天线，用以说明纳米管混合体在增益和频率响应上性能优于铜。

 

Emma Hudson

Emma Hudson主持了富有成效的问答环节。这场成功的ICT线上研讨会成功举办，她感谢了所有参会成员，以及组织本次活动的技术总监Bill Wilkie。她乐观地认为2021年年底之前有可能举办线下研讨会。

 

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