автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Абсорбционные характеристики полиимидных пленок и конденсаторов на их основе

£СЛ1ффпЕТИ>Г>УРГСШ1Й ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

М АРЧ ЕН КО Марина Сергеевна

УДК 621.315.616.9:621.319.4.

АБСОРБЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИИМИДНЫХ ПЛЕНОК И КОНДЕНСАТОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.09.02- электроизоляционная и кабельная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена на кафедре "Электрическая изоляция, кабели и конде сато'ры" Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Борисова М.Э.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кучинский Г.С., кандидат физико-математических наук Рычков A.A.

Ведущая организация: НИИ "Гириконд", г. Санкт-Петербург.

'' Защита состоится "¿0' JUü S, 1995 г. в dä. часов на заседании специал зированного Совета К 063.38.21 Санкт-Петербургского государственного техи ' ческого университета по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29, главное здание, ауд. ЗА

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиот« Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан c.h./i*j/> 1995 года.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук, доцент

,-W Кулакове.

/

/

I

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Для некоторых областей техники, например, для аппаратуры сверхглубин-ого бурения скважин, авиационной аппаратуры, требуются конденсаторы, ра-отоспособные при высоких температурах окружающей среды (до 200-г250°С). (ля создания нагревостойких конденсаторов наиболее пригодны неорганичес-ие диэлектрики (керамические и оксидные), обладающие высокой термостой-остью. В то же время конденсаторы, разработанные на основе таких диэлек-риков, имеют либо ограниченную шкалу номинальных емкостей (для керами-еских конденсаторов - менее 0,01мкФ), либо рабочих напряжений (для оксид-[ых конденсаторов - менее 200В).

В том случае, когда требуется получить совокупность повышенных номи-гальных емкостей и напряжений при конструировании нагревостойких конден-аторов, могут быть использованы полимерные диэлектрики. Однако широко [спользуемые для массовых типов конденсаторов полимерные диэлектрики: по-(иэтиленгерефталатные пленки, поликарбонатные или полипропиленовые, >беспечивают максимальные рабочие температуры не более 100+125°С. Макси-«ально допустимая рабочая температура фторопластовых конденсаторов для щительной работы пе превышает 200°С. Поэтому для создания первой серии гагревостойких конденсаторов (С11ОМ=0,001...1мкФ, ином=315В...ЗкВ), разрабо-анных в НИИ "Гириконд", были применены пленки полиимида (ПМ), что поз-юлило повысить рабочую температуру конденсаторов до 250°С. ^

В настоящее время измерения электрофизических характеристик пленок -1М в области повышенных температур носят единичный характер, поэтому тредставляется актуальной задача проведения комплексного исследования аб-;орбционных характеристик пленок ПМ и конденсаторов на их основе в широ-сом интервале температур с последующим анализом экспериментальных дан-шх на основе теории абсорбционных явлений.

Работа проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских и эпытно-консгрукторских работ, проводимых в НИИ "Гириконд" по темати-(ескому плану, а также согласно комплексной целевой программе "Диполь" Минвуза РСФСР.

Цель диссертационной работы состояла в изучении природы абсорбционного заряда, механизма его накопления и релаксации в пленках ПМ и конденсаторах на их основе. Для этого необходимо было решить ряд задач: - провести комплексное исследование абсорбционных характеристик пленок ПМ и конденсаторов на их основе в широком интервале температур; проанализировать экспериментальные данные на основе теории абсорбционных явлений;

- изучить процессы релаксации заряда в пленках полиимида различного произ водства при воздействии на них электрического поля;

- выяснить влияние объемного заряда на величину пробивного напряжения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана методика расчета предельных значений коэффициента абсорбцш конденсаторов Ка из кривой саморазряда U0=f(t);

- установлено, что в пленках ПМ при Т<200°С преобладает гомозаряд, обуслов ленный поляризацией Максвелла-Вагнера, а при Т>250°С абсорбционный гете розаряд в пленках ПМ обусловлен приэлектродной поляризацией;

- впервые проведена диагностика плёнок ПМ по абсорбционным характе ристикам и показано, что пленка ПМ неоднородна по величине проводимости;

- определена глубина залегания центроида заряда в пленках ПМ, которая со ставлла 8~1мкм.

• Практическая ценность результатов, полученных в работе: впервые изучена совокупность абсорбционных характеристик конденсаторо! на основе пленок ПМ в широком интервале температур;

- установлено, что абсорбционные характеристики Ur=f(t) и UB=f(t) конден саторов на основе пленок ПМ хорошо описываются абсорбционной Teopnei Максвелла-Вагнера и Фойгта и определены параметры, эквивалентных схеи этих конденсаторов;

- изучены температурная зависимость коэффициентов абсорбции Ка конденса торов и влияние на величину Ка радиационного облучения;

- выданы рекомендации по повышению качества технологии производства оте чесгвенных пленок ПМ, направленные на повышение стабильности их электри ческих характеристик;

- показано, что накопление объемного заряда практически не приводит к изме нению электрической прочности пленок ПМ (в области высоких температур).

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методики результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований исполь зуются в НИИ "Гириконд", что подтверждается соответствующим актом внед рения.

Апробация работы. Основные результаты, положения и выводы работа докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. VI Всесоюзная конференция "Физика диэлектриков", Москва, 1988 г.

2. Российская научно-техническая конференция по физике диэлектрико! "Диэлектрики-93", С.-Петербург, 1993 г.

3. 8-th International Symposium on electrets, Paris, France, 1994.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в пяти печат-

>1Х работах. _

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из' введения, чегы-:х глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 108 (бот отечественных и зарубежных авторов, одного приложения и материалов внедрении. Общий объем диссертации 167 страниц, в том числе - 79 страниц :новного текста, 69 рисунков и приложение на 11 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель |боты, сформулирована научная новизна и практическая значимость получен-лх результатов.

В первой главе - обзоре литературы, - описаны основные свойства поли-.1ИДНЫХ пленок, проводится сравнение их с другими полимерными матерками.

Обосновывается необходимость тщательного изучения абсорбционных [рактерпстик диэлектриков, конденсаторов, электрической изоляции. Отмеча-ся, что абсорбционные явления характеризуются временными зависимостями жов зарядки и разрядки 11АГ(1), 1рЛ1(0, напряжением саморазряда и восстанов-:нным напряжением и, (Д), ив(0, абсорбционной емкостью Са и коэффициен-1М абсорбции Ка. Эти явления нпосредственно связаны с процессами накопле-1я и релаксации абсорбционного заряда как на электродах образца, так и в мом диэлектрике. Показано, что абсорбционные явления могут приводить к рицательным явлениям в конденсаторах, и в этих случаях коэффициент ¡сорбции Ка должен контролироваться и, по возможности, уменьшаться, эсуждается возможность оценки качества электрической изоляции, ее одно->дности, надежности и долговечности неразрушающими методами на основе учения и анализа абсорбционных характеристик диэлектриков и изготовлен« .IX из них конденсаторов, электрической изоляции.

Рассматриваются основные методы определения коэффициента абсорбции >нденсаторов Ка и зависимость Ка от различных факторов.

В соответствии с ГОСТом №21.315.11-87 коэффициент абсорбции конден-торов Ка определяется отношением восстановленного напряжения ив(Ь), из-¡ренного по истечении времени 1э после замыкания электродов накоротко на 1емя I,, к значению поляризующего напряжения ир, которое прикладывалось к ектродам в течение времени ^

Ка=1МЬ).100%. (1)

и«

В этом случае величина Ка зависит от интервалов времени t„ t2, t3 и не отражает какого-либо физического содержания. Утверждается, что метод определен»; коэффициента абсорбции по отношению максимума восстановленного напря жения UBm к поляризующему напряжению UP:

lJm

к' = -!i--100% (2

а Up

является более обоснованным.

Рассматривается метод оценки коэффициента абсорбции на основе опре деления абсорбционного заряда, получаемого путем интегрирования тока раз рядки 1РЛЭ(0 по времени:

Qa = |Wt)-dt. - (3

о ■

По величине Qa рассчитывается абсорбционная емкость Са и затем п< отношению абсорбционной емкости к суммарной емкости, включающей в себ: номинальную емкость, определяется так называемый предельный коэффициен-абсорбции Ка°:

К"=—^--100%, Са = —. (4

с +с и

Отмечается, что отсутсгьуег строгий теоретический анализ физическо] значимости методов определения Ка и соответствия между коэффициентам] абсорбции кондесаторов, определенными разными методами.

Приводится теоретический анализ абсорбционных явлений в конденсате pax, диэлектриках, электрической изоляции, на основе которого показано, чт кроме эквивалентной схемы Максвелла, характеризующей многослойную струи туру диэлектрика, для анализа абсорбционных характеристик конденсаторов диэлектриков может быть также применена эквивалентная схема Фойгта, соот ветствующая наличию релаксационной поляризации с распределением по вр< мени релаксации. Сформулированы условия идентичности эквивалентных схе; Максвелла и Фойгта, которые заключаются в том, что абсорбционные характ< ристики, рассчитываемые по этим эквивалентным схемам Максвелла и Фойп будут идентичны, если эти схемы содержат одинаковое число пар элементов, i если в выражениях для токов и напряжений, полученных на основе решени уравнений для схем, будут совпадать времена релаксации и предэкспоненциаль 4

[ые сомножители.

Рассматривается возможность диагностики электрической изоляции по аб-орбционным характеристикам диэлектриков. Основанием для этого является о, что абсорбционные характеристики могут изменяться от увеличения неод-юродности электрической изоляции, которая происходит в результате процес-ов старения, под действием эксплуатационных факторов. Поэтому изменение [бсорбционных характеристик может указывать на неблагоприятные изменения I изоляции. Изучение абсорбционных характеристик может использоваться так-ке в процессе отработки технологии изготовления электроизоляционных мате-»иалов, позволяя оценивать степень однородности изоляции.

Во второй главе описана методика эксперимента.

Контроль структуры пленок ПМ проводился методом инфракрасной спек-роскопии и методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Измере-ше ИК-спектров проводилось на спектрофотометре ИКС-22 в области частот Ю00см"'-н700см'.

Для определения степени имидизации пленок ПМ и сравнения структуры юверхностных слоев и объема пленки был применен метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в сочетании с ионным травлением полимерной шенки. РФЭ-спектры снимались на электронном спектрометре XSAM-800 фир-ш "Du Pont" (Англия) при возбуждении электронов рентгеновским излучени-

200(70 /5000

10000" 5000

О

1000

800

600 400 Рис. 1

ем, возникающим при К-пере-ходах в атомах Мд (энергия кванта а-линии Ка составляла 1253,6эВ). Обзорные спектры снимались в области энергии связи \У=0-г1000эВ, а также исследовалась структура отдельных линий. Обзорный РФЭ-спектр пленки ПМ толщиной 20 мкм производства объединения "Пластик" приведен на рис.1. £00 Точность определения энергии связи \¥сп электронов но линии

спектров составляла 0,1эВ. Точ-юсть количественного атомного анализа - 10%. Результаты количественного шализа РФЭ-спектров, показали, что структура поверхностных слоев пленки 1М, на глубину которых проводилось последовательное стравлигание. и обь-:ма образца не имеют структурных различий. Степень ииидтаиип пиенки ММ

достаточно высока.

Измерение временных зависимостей напряжения саморазряда ис(1) и восстановленного напряжения ив(0 пленок полиимида и конденсаторов на их основе проводилось с помощью статических вольтметров с большими входными сопротивлениями: С-50 (100-4500), С-95 (30+150В), С-56 (О+ЗОВ). Погрешность измерения ис0) и ив(0 определялась классом точности статических вольтметров и не превышала для С-50 1,1%, для С-95 1,6% и для С-56 0,3%.

Разработана методика разложения экспериментальных кривых ис(0, ив(0,1ЗАР(0,1РЛ1(() на экспоненты, позволяющая определять набор времен релаксации и предэкспонеш шальных сомножителей для расчета параметров двух физических моделей и двух эквивалентных схем - Максвелла и Фойгга. После определения параметров эквивалентных схем проверяется соответствие между теорией абсорбционных явлений и экспериментальными данными.

Зарядка полимерных пленок проводилась в коронном разряде. Между • поверхностью пленки и иглой (коронирующим электродом) находилась металлическая сетка, регулирующая величину потенциала,'до которого заряжалась пленка, и обеспечивающая равномерное распределение заряда по поверхности образца. Зарядка пленок проводилась при отрицательном потенциале иглы 6кВ относительно земли. Игла располагалась на расстоянии 20мм от поверхности пленки. На сетку подавался отрицательный потенциал относительно подложки, величина которого варьировалась в пределах 100н-400В,

Для измерения электретной разности потенциалов заряженных полимерных пленок применялся метод компенсаций с вибрирующим электродом, который позволял определять два значения компенсирующей разности потенциалов: и0 и иь, если вибрирующий электрод расположен со стороны поверхностей х=0 и х=Ь соответственно. Значения и0 и ин измерялись с точностью не более 6% от среднего значения. Полярность компенсирующей разности потенциалов определяла знак эффективной поверхностной плотности заряда.

В качестве ускоренного метода изучения процессов релаксации заряда применялся метод токов термостимулированной деполяризации (ТСД). Точность поддержания температуры при измерении в изотермическом режиме составляла ±1°С. Токи, протекающие во внешней цепи, измерялись электрометром ЭМ-1, точность измерения которого составляла 1015А.

Для измерения электрической прочности исходных и предварительно поляризованных образцов пленок ПМ пробой проводился на постоянном напряжении с помощью универсальной пробивной установки УПУ-10. Время релаксации заряда в образце т=е-е0/у при Т=250°С составляло 30с, поэтому за время пе реключения высоковольтного ключа накопленный в пленке объемный заряд со-6 —

хранился. Режим поляризации образцов, обеспечивающин максимальную величину гетерозаряда, был выбран следующим: напряжение поляризации UP=100B, время поляризации 1Р=5мин.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований напряжения саморазряда U<=f(t) и восстановленного напряжения. UB=f(t) конденсаторов на основе пленок ПМ в интервале температур Т=160+300оС. Зависимости Uc=f(t) описываются спадающими кривыми, а скорость спадания

Uc возрастает с увеличением температуры (рис.2). Зависимости Un=f(t) имеют вид кривых с максимумом (рнс.З). С ростом температуры величина UBm увеличивается, а положение максимума смещается в область меньших времен. Обработка этих результатов проведена на основе эквивалентных схем Максвелла и Фойгта.

Разложение зависимостей Uc=f(t) на сумму экспонент

п

Uc=XUCi -e.xp(-t/t,) проводилось

/= 1

на персональном компьютере . IBM РС/АТ-286. Установлено, что кривые Uc(t) могут быть разложены на три экспоненты:

п=3

Ur(t)=ZUn, ехр(-1/т,). Параметры разложения кривых саморазряда конденсатора Uc(0 на экспоненты (значения Uo, и г,) позволили рассчитать характеристики трехслойного (трехкомпоненг- . ного) диэлектрика и соответствующие эквивалентной схеме Максвелла (рис.4) значения:

Рис. 2

80 60 + НО 20 О

6000

Рис. 3

R,

" и,,'

Ь С,'

(5)

Далее с использованием условий идентичности схем Максвелла и Фойгта:

тм=тф=т ; / I /

8М = ЭФ = Э ;

I I /

С,=[£С;'] = С„;

я£ = [!»,]=■ г,;-

ПС*/-»*)

*«( к*1

были рассчитаны параметры соответствующей схемы Фойгта (рис.5), включа расчет составляющих абсорбционной емкости Са. Сопоставление зависимосте ис(1) и ив(1) для пленок полиимида с данными для конденсаторов показало, чт времена релаксации заряда у конденсаторов существенно меньше, чем у пленок

д,

Я:

Рис. 4

Рис. 5

На основании анализа результатов измерений напряжения саморазряда можн заключить, что пленка полиимида неоднородна, что она содержит, по крайне мере, три компоненты, различающиеся по величине удельной проводимости Зависимости Г(5040/Т) в исследованном интервале температур Т= 160+300° могут быть представлены прямыми линиями с энергией активации (рис.6). Таким образом, анализ абсорбционных характеристик пленочных пот имидных конденсаторов свидетельствует о том, что пленка полиимида неодго родна по толщине и по величине удельной проводимости.

По результатам разложения кривых напряжения саморазряда были ра считаны зависимости восстановленного напряжения ив(1). Сопоставление с эк периментальными данными показало, что расчетные максимумы, как правши более высокие и расположены при меньших значениях 1т, чем эксперименталь 8

-18

-/5

-Щ

Ом'мК, V ч

0 ч \ \\ о\ XV

х - \

\ * <Л % > ^ 4 1

к

8

10 Рис.6

¿ОЬО

т '

ные. Было проведено сотипявле-ние двух способов расчета коэффициента абсорбции конденсаторов: по отношению максимума восстановленного напряжения к поляризующему напряжению Ка'=илиР и по отношению абсорбционной емкости конденсатора к его полной емкости Ка=Са/(Са+Сн). В обоих случаях зависимость Ка=Г(Т) может быть представлена кривой с максимумом. Однако, значения Ка, рас-_ - считанные по отношению макси-

мума восстановленного напряжения к поляризующему напряжению, значительно меньше предельного коэффициента абсорбции, определяемого по отношению абсорбционной емкости к полной емкости конденсатора (рис.7).

Было исследовано также . влияние электрического старения и радиационного облучения на абсорбционные характеристики конденсаторов. Электрическое Старение конденсаторов на основе 'пленок ПМ проводилось при напряжении и=500В, температуре Т=250°С. Старение в течение вре-Рис. 7 мени 1=34час приводит к увели-

чению скорости спадания напряжения саморазряда, тогда как старение в течение времени 1=16час существенно не изменяет абсорбционные характеристики конденсаторов. В результате старения уменьшаются соответствующие времена релаксации, полученные при разложении кривых ис(0 конденсаторов на сумму экспонент, что свидетельствует об увеличении проводимости диэлектрика.

К,

450

200

250

Были сопоставлены абсорбционные характеристики исходного и обл; ченного электронным пучком в течение 2 часов(доза ЮМрад) конденсатор; Облучение электронами также приводит к росту скорости снижения Uc(t) область более малых времен. По результатам разложения зависимостей Uc( исходных и облученных образцов на сумму экспонент были рассчитаны соо" ветствующие зависимости UB(t). Коэффициенты абсорбции, рассчитанные п максимуму восстановленного напряжения, имели значения Ка'=43% для обл; ченного и Ка'=22% - для исходного конденсатора (при Т=20°С).

При изучении токов зарядки на электроды подавалось напряжен»: U=300B (Е=2,5107В/м). Зависимости I1a,,=f(t) на пленках ПМ измерялись в ti чение t>60Mnn.

На первых партиях пленок ПМ ("Пластик", И=12мкм) в интервале тел ператур от 250 до 140°С зависимости I(t) измерялись как на исходных пленка; так и на пленках, подвергавшихся прогреву в течение 8 часов при Т=300°С. Н зависимостях I3AI,=f(t) при температурах Т>220°С наблюдалось возрастание ток со временем. Предварительный прогрев не оказал заметного влияния на xapai тер кривых I3AP=f(t), измеренных на первых партиях пленок. В то же время п данным НИИ "Гириконд" у конденсаторов, изготовленных из этой пленки поставленных на старение, отмечалось уменьшение сопротивления изоляции течением времени. Все эти явления свидетельствовали о недостаточной стабшп ности пленки ПМ ("Пластик"), что может быть обусловлено ее низкой степень] имидизации и (или) наличием примесей.

В связи с этим было рекомендовано НПО "Пластик" изменить технолоп ческий режим производства пленок, повысив температуру сушки от 220°С д 270°С. Усовершенствование технологии производства пленки устранило анс мальный характер зависимостей I(t) пленок и стабилизировало величину сопрс тивления конденсаторов.

Абсорбционные токи пленок ПМ в обласги температур до 200°С симмеп ричны, то есть I1Ar,(t)-I(K:T=-IPA1(t). Однако, в области температур свыше 200°( эта симметрия отсутствует, то есть I1u.(t)-I(K:l?Hr,„(t). Аналогичные результат; были получены и для конденсаторов. Контрольные опыты показали, что пр нагреве закороченных конденсаторов даже в отсутствие напряжения на электрс дах во внешней цепи протекают токи, резко возрастающие с повышением темп< ратуры (Т>200°С), что. может быть обусловлено возникновением гальваниче< ких ЭДС. Это обстоятельство затрудняет анализ абсорбционных свойств плено и конденсаторов в области повышенных температур. Асимметрия кривы I1ul(l)-(orT и IPA,(t) пленок и конденсаторов в области повышенных температу указывала на то, что эти зависимости не могут быть рассчитаны на основе тес

m Максвелла-Вагнера.

В четвертой главе приведены результаты изучения процессов накопления релаксации заряда в пленках ПМ методом токов ТСД и методом компенсации вибрирующим электродом.

Целью этих исследований было сравнение электрегных свойств полимерах пленок разных производителей (ПМ "Шостка" Ь=20мкм, ПМ "Пластик" =12мкм, ПМ "Du Pont" 1i=12,5mkm) в широком интервале температур, опре-этение эффективной глубины залегания центроида заряда 5, расчет темпера-фных зависимостей проводимости объема пленок lgy2=f(5040/T) и проводи-ости приповерхностных слоев пленок- lgYi —f(5040/T) из экспериментально ¡меренных спектров токов ТСД и их анализа на основе модели двухслойного «электрика.

Знак заряда, накапливающегося в пленках ПМ под действием электричес-эго поля, определялся методом компенсации с вибрирующим электродом, азличают электреты с гомозарядом, когда направление поля электретной раз-ости потенциалов соответствует направлению поляризующего поля, и гетеро-фядом, когда эти направления противоположны.

Для сравнения электрических и электрегных свойств пленок ПМ различ-ых производителей исследовались спектры токов ТСД пленок, заряженных в оронном разряде. Токи ТСД измерялись при нагреве образцов с постоянной горостью (3~2°С/мин как при плотном контакте пленки с электродами, так и ри наличии изолирующей прокладки из ПТФЭ (Ь=20мкм) между'ними. Плот-ый контакт пленки ПМ с электродами осуществлялся путем прижатия электро-ов из тонкой свинцово-оловянной фольги к поверхности заряженной пленки од давлением р«1 кг/см2.

Спектры токов ТСД, измеренные при неплотном контакте пленки ПМ с пектродами, имели вид кривых с ярко выраженным максимумом. Направление ока ТСД в области этого максимума соответствовало движению носителей за-яда через объем образца. Это направление было условно принято за положи-ельное. В процессе испытаний было установлено, что кривые токов ТСД, изме-енные на одном образце пленки ПМ, различаются по расположению основно-о максимума в пределах дТ=(5+8)°С. Процесс релаксации гомозаряда в пленке >ирмы "Du Pont" заканчивается при более низкой температуре (Т=185°С), чем у ленок ПМ "Пластик" (Т=220°С) и "Шостка" (Т=215°С), а величина накоплен-ого заряда максимальна в пленке ПМ "Пластик".

Из кривых токов ТСД, измеренных при неплотном контакте пленки с лектродами, были рассчитаны температурные Зависимости проводимости у2 ленок ПМ различного производства. Расчет проводился с помощью соотноше-

ния, полученного на основе модели двухслойного диэлектрика при у,«у2:

j= "'.•'''^"'•^•expC-J^), (7)

е0 (с,-Ь2 + б2 Ь,) ' Р-т

то

где сг0 - начальная плотность заряда на границе раздела слоев;

Eo'(e,'h2 + е, • h.)

х = ——-—г—-—- - время релаксации заряда; (8)

Vhi

h,, h2 - толщины, е,. е2 - диэлектрические проницаемости изолирующей прокладки и электрета, соответственно; уг - удельная проводимость объема пленки.

Рассчитанные температурные зависимости lgy2=f(5040/T) пленок ПМ различных производителей имеют вид спадающих кривых. При этом значения у2 для пленок ПМ. "Du Pont" практически во всем интервале температур несколько выше, чем для пленок отечественного производства. Однако, изготовление первых партий конденсаторов (в НИИ "Гириконд") из пленок разного производства показало, что пленка ПМ "Du Pont" более технологична (пленка ПМ "Пластик" обладает высокой электризуемостью, что затрудняет ее использование при производстве конденсаторов).

Для всех исследованных пленок ПМ при переходе от неплотного контакта к плотному направление тока изменяется и соответствует движению носителей заряда в приповерхностных слоях пленки. Положение этих максимумов оказывается в области более низких температур по сравнению с неплотным контактом пленок ПМ. В отличие от других полимерных материалов в полиимидных пленках не наблюдается существенного различия (на несколько порядков) в значениях у, и у2.

Для всех пленок расчетные значения энергии, активации удельной проводимости объёма пленок составляли \УА,~1эВ, а значения WA„ удельной проводимости приповерхностных слоев пленок оказались примерно в два раза меньше по сравнению с неплотным контактом.

Эффективная глубина локализации центроида заряда 8 в пленках ПМ производства "Du Pont", "ГД ластик" и "Шостка" была рассчитана на основе следующего соотношения:

8 =-----(9]

-де h=h2+8 - толщина образца;

U, - начальная электретная разность потенциалов;

S - площадь измерительного электрода;

Q - заряд, определенный путем интегрирования кривой тока ТСД.

Установлено, что эффективная глубина центроида заряда 8 пленок ПМ различного производства одинакова.

Для уточнения механизма накопления абсорбционного заряда в конденсаторах на основе пленок ПМ нами изучались процессы накопления и релаксации заряда в пленках ПМ, поляризованных в электрическом поле в интервале / температур от 50° до 250°С. При этом измеряли зависимости U3=f(T„) и спектры токов ТСД пленок ПМ производства "Du Pont" и "Пластик". При поляризации пленки нагревались до заданной температуры Тй, выдерживались жри этой температуре в течение 2 часов под напряжением U=+180B, à затем эхлаждались до комнарюй температуры, после чего проводилось отслаивание электрода, находящегося под напряжением. Наличие напряжения на отслаиваемом электроде способствовало сохранению заряда в образце. После отслаивания электрода от пленки методом компенсации с вибрирующим электродом измерялась величина U0. Установлено, ч[о с ростом температуры поляризации Т„ до 200°С величина гомозаряда растет в обеих пленках. Однако, при дальнейшем повышении температуры поляризации выше 200°С в пленках начинается накопление гетерозаряда. Вследствие чего при ТЛ=250"С величина компенсирующей разности потенциалов UK пленок ПМ "Пластик" уменьшается, а у пленок ПМ "Du Pont" изменяется знак UK.

Отслаивание электрода под напряжением полностью не исключает возможную утечку заряда с образца. Поэтому для уточнения природы абсорбционного заряда, накапливающегося в пленках ПМ под действием электрического поля, нами использовался и метод токов ТСД. Образцы пленок ПМ "Du Pont" поляризовались в электрическом поле при напряжении U=-180B в течение 1 часа. Спектры токов ТСД измерялись при неплотном контакте пленки с электродами. Изолирующая прокладка из пленки ПТФЭ накладывалась на металлическую фольгу, что позволяло избежать возможную утечку заряда. Установлено, что с увеличением температуры поляризации Т„ до 150°С величина заряда Q, накопленного в пленке и определяемого путем интегрирования кривой тока ТСД, увеличивается. Однако, при температурах Т/г>200°С характер кривой тока ТСД изменяется и появляется новый максимум, соответствующий разрушению гетерозаряда, а величина максимума, обусловленного гомоза-рядом, при Т„=250°С уменьшается.

Изучение температурной зависимости электрической прочности пленок

ПМ, изготовленных на объединении "Пластик", проводилось на образцах пленки Ь=12мкм. Использовались латунные электроды диаметром 20 и 40 мм. Пробой производился на постоянном напряжении при выборке N=32...40 образцов.

Для определения' электрической прочности пленок ПМ полученные результаты были представлены в виде интегрального распределения в координатах Вейбулла. По мере увеличения температуры интегральные вей-булловские распределения по ип|, смещаются в область более низких значений ипР (величина и„Р для вероятности пробоя 0,63 уменьшается). В интервале температур Т=100-ь350°С зависимость ипр=Г(Т) имеет прямолинейный характер. Для анализа механизма пробоя пленок ПМ были построены зависимости 1ёипР=«Т) и 1ёл/р,='ХТ). Значения р рассчитывались из зависимостей 11АР=Г(0 при 1=1 Ос и из установившегося значения тока. В области температур Т>320°С наблюдалась тенденция пропорциональности между ипР и -¿р.

Значения ипрРАСЧ, рассчитанные по Теории Фока, сопоставлялись с экспериментально измеренными иП1?КП1. В области высоких температур расчетные и экспериментальные значения и,,Р практически совпадают, что указывает на возможность теплового пробоя пленок ПМ при Т>320°С.

Испытания, проводимые на пленках ПМ, показали, что при зарядке в постоянном электрическом поле в области Т;>200°С в пленках накапливается гегерозаряд. Для уточнения роли объемного заряда, и, в частности, влияния гетерозаряда на электрическую прочность пленок ПМ, испытаниям на пробой подвергались исходные и предварительно поляризованные при температурах 300 и 350°С образцы (ир=100В, 1г=5мин).

Результаты испытаний на пробой исходных и предварительно поляризованных образцов были представлены в виде гистограмм. В пределах разброса экспериментальных данных предварительная поляризация образца практически не оказывает влияния на величину 11ПР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что при Т=1804-300°С временные зависимости напряжения саморазряда и восстановленного напряжения конденсаторов описываются эквивалентными схемами Максвелла и Фойгта, применяющимися для описания пространственно- и структурно- неоднородного диэлектрика соответственно. Абсорбционные токи в области повышенных температур не согласуются с теорией Максвелла-Вагнера, что обусловлено наличием "паразитных токов", возрастающих с увеличением температуры и затрудняющих изучение этих характеристик.

2. Рассчитаны предельные значения коэффициента абсорбции Ка полиимид-ных конденсаторов в широкой области температур.

3. Показано, что абсорбционные характеристики конденсаторов могут быть использованы для диагностики пленки ПМ по величине проводимости, неоднородной по толщине диэлектрика.

4. Показано, что пленка ПМ неоднородна по величине проводимости. Однако по сравнению с другими полимерами (например, ПЭТФ и Ф4-МБ), это различие в значениях у, (проводимости приповерхностного слоя) и уг (проводимости объема диэлектрика) существенно меньше. Эффективная глубина залегания центроида заряда в пленках ПМ составляет ~1мкм.

5. Изучение структуры поверхности пленок ПМ методом РФЭС в совокупности с послойным стравливанием не показало' различий в структуре поверхности и объема образцов.

6. Установлено, что ''объемный заряд не оказывает влияния на величину пробивного напряжения пленок ПМ. При температурах выше 250°С величина иш, уменьшается и имеет место тепловой пробой.

По материалам диссертации сделаны следующие публикации:

1. Изучение нестационарных процессов электропереноса в полимерных пленках/М.Э. Борисова, О.В. Галюков, С.Н. Койков, М.С. Марченко, В.П. Рымша // Материалы VI Всесоюз. конф. по физике диэлектриков; Москва, 25-28 ноября, 1988 г.- Вып, 1(277). Процессы электропереноса у накопления заряда в диэлектриках.- М., ЦНИИ "Электроника", 1988,- С.17-19.'

2. Борисова М.Э., Марченко М.С. Электропроводность и токи термостиму-лированной деполяризации фторосодержащих полимеров // Электрические поля и электретные свойства диэлектриков: Межвуз. сб. науч№ тр. / МИЭМ.-М., 1989.-С17-20.

3. Борисова М.Э., Койков С.Н., Марченко М.С. Нестационарные процессы проводимости в конденсаторных пленках полиимида // Электротехника.-1991,-№8.- С.14-17.

>

4. Оценка параметров неоднородности диэлектрика на основе анализа абсорбционных характеристик // М.Э. Борисова, С.Н. Койков, М.С. Марченко и др. // Тез. докл. Российской науч.-техн. конф. по физике диэлектриков с междунар. участием "Диэлектрики-93", С.-Петербург, 22-24 июня 1993 г.-Часть I,- С.43-45.

5. On the nature of homOcharge accumulation and polarization phenomena in thin polymeric layers / Borisova M.E., K.ojkov S.N., Marchenko M.S. // 8-th International Symposium on electrets, 7-9 Sept. 1994, Paris, France.- 1994,- P.37-42.