數據采集儀在表面絕緣電阻測試系統中的應用
——以安捷倫3498數據采集儀為例

上海市質量監督檢驗技術研究院 認證中心 張宇清

數據采集儀在表面絕緣電阻測試系統中的應用
——以安捷倫3498數據采集儀為例

上海市質量監督檢驗技術研究院 認證中心 張宇清

近年來，隨著電子產品小型化和集成化程度的提高，PC（印制電路板）B的線距越來越小。也正因此，PCB的絕緣可靠性尤其是離子遷移就成為影響產品質量的重要因素，PCB的絕緣可靠性問題已引起了越來越多的電子產品（尤其是汽車電子產品）制造企業的關注。

一、技術論述

由于PCB在制造過程中一般都要經歷膠片制版、圖形轉移、化學蝕刻、過孔和銅箔處理、助焊和阻焊處理等多道工序，在這些工序處理過程中會使用大量的化學溶劑，雖然期間經也經過了多道清洗工序，但在PCB表面或多或少仍會殘留少量化學溶劑。電子產品在長期使用過程中，由于電、溫度和濕度等因素的共同作用，這些殘留溶劑會發生電解，部分離子發生遷移現象，從而導致PCB導線之間絕緣性能的下降，嚴重時甚至會引起電子產品的失效。

各大電子產品制造企業為了解和驗證PCB在長期使用過程中表面殘留離子對其絕緣性能的影響程度，以及PCB絕緣性能的退化趨勢，在IPC–TM–650 2.6.3《PCB表面絕緣電阻測試方法》的基礎上對試驗條件進行了一些改進。

1.試驗樣品。定制有固定圖形（一般為叉指形狀）、固定線距的PCB，數量在四五十片到數百片之間。具體測試樣品圖形如圖1～6所示。

2.試驗條件。在高溫高濕的環境（溫度40 ℃，RH93% 或溫度85 ℃，RH85%）中，在樣品引出端之間施加一定的直流電壓（一般為10 ～ 50 V），并持續一定的時間（500 h或1 000 h）。

3.數據采集。在上述試驗條件下，以一定的周期間隔（少則20 min或30 min，多則24 h，監測每片樣品的絕緣電阻值。通過觀察樣品絕緣電阻值在整個試驗周期內的變化，來了解PCB絕緣性能的退化程度和離子遷移對PCB絕緣性能的影響程度。

由于這項試驗周期長、樣品數量多、數據采集量和試驗人員的工作量巨大，多家試驗設備制造商均開發了表面絕緣電阻的自動化測試系統（AM I或AEI），但這些系統價格較為昂貴，其測試通道大多只能擴展到100～200個，設備的專用性較強；不適合對多個實驗室或企業的大批樣品進行同時試驗，也不能滿足其進行通用性試驗的需求。

實際上，許多實驗室可以利用現有的數據采集儀自行搭建表面絕緣電阻測試系統，既能保證試驗結果的準確性，又可降低試驗成本，而且這些系統還可方便地進行測試通道的擴展。本文，筆者就如何利用安捷倫的34980數據采集儀搭建表面絕緣電阻測試系統，以及該系統在使用過程中的注意事項加以闡述，以期對同行有所參考。

二、試驗基本原理

考慮到正常樣品在試驗條件下的絕緣電阻值通常會大于100 MΩ，遠大于測試線路中的測試用電阻，因此，可以根據歐姆定律和基爾霍夫定律，采用取樣電阻法搭建測試電路，測試電路如圖7所示。

由于DUT和Vcc，R1，R2構成串聯電路，所以依據基爾霍夫定律，電路中通過DUT，R1，R2的電流相等，結合歐姆定律，可得出測試樣品（DUT）電阻值的計算公式：

由于在正常情況下，R1和R2上的電壓降遠小于測試樣品（DUT）的電壓降，對最終的測試結構影響較小，在計算時可將對其忽略不計，式（1）可以簡化為

三、試驗設備

在該試驗系統中，除了配備常規的直流電源外，最重要的檢測設備就是數據采集儀。通常情況下測試絕緣電阻會使用絕緣電阻儀（高阻計），但由于絕緣電阻儀在讀數時會對樣品有一個極化時間，一般耗時30～60 s，且只能由人工操作，這對于讀數間隔短、大批量樣品的測試顯然是不適合的。因此，可以采用安捷倫的34980A數據采集儀進行讀數，該設備與絕緣電阻儀相比，具有以下幾點優勢。

1.讀數精度高。在100 mV量程檔，每個測試通道的最小讀數可達0.003 5 mV。

2.讀數快。掃描速度高達1 000個通道/s ，并可自行設定讀數間隔。

3.便于對批量樣品的測試。

4.設置簡單，并可在顯示屏上觀察各通道讀數的變化趨勢。

5.存儲量大。設備在測試過程中能自動保存數據，測試完成后還可將數據直接導入Excel文件進行后期處理。

四、試驗方法

1.第一步：樣品前期處理。

（1）連接線焊接。由于樣品需要在高溫高濕環境中長時間通電測試，所以為防止連接樣品和電源的導線以及數據采集儀之間的導線在長時間高溫高濕條件下絕緣性能退化，進而影響測試數據的準確性，建議選用可耐受150 ℃的特氟龍高溫導線，并按圖8所示將連接線焊接在樣品的兩個引出端上。接線如圖8所示。

為了便于放置和讀數，可將樣品分為若干組，如將10或20片樣品組成一組，每組正極并聯后用一根連接線引出，每片樣品的負極與取樣電阻串聯后單獨引出一根連接線并編號。此外，在焊接時需要防止助焊劑和殘錫沾污樣品，保證測試數據的準確性。

（2）樣品放置。將每組樣品垂直放置在專用樣品托架上，然后將托架牢固固定在溫濕度箱的柵盤上，并將連接線從通線孔引出。放置方式如圖9所示。

2.第二步：測試線路的搭建。

（1）按圖7所示將所有樣品的正極和限流電阻R1一端相連接，限流電阻R1另一端與直流電源正極相連接，將取樣電阻R2另一端和直流電源負極相連接。

（2）將數據采集儀的每個測試通道和每個樣品所連接的取樣電阻并聯。

（3）將數據采集軟件中數據采集儀的各測試通道設定為測量電壓，并選擇適當的量程，同時設定讀數間隔。

3.第三步：進行測試。開啟溫濕度箱，設定所需的溫濕度條件，待試驗箱內的溫濕度條件達到試驗條件并穩定后，接通直流電源，設定測試電壓，同時運行數據采集軟件進行讀數，直至試驗結束。

4.第四步：數據處理。試驗結束后，將從取樣電阻R2讀取的電壓值按式（1）或式（2）轉換為樣品的表面絕緣電阻值；由于絕緣電阻值的量級差異較大，需要將絕緣電阻值取l g對數，以縮小趨勢圖上的波動幅度；然后通過Excel作圖功能，完成樣品數據趨勢圖。另外，還可觀察試驗后樣品表面，查看是否有離子遷移現象發生，并拍照記錄。離子遷移如圖10所示。

五、試驗中應注意事項

1.樣品前期處理階段。

（1）樣品連接線應選用耐高溫高濕、絕緣性能好的高溫導線，并在每次試驗前進行更換。

（2）焊接連接線時應防止樣品表面被污染。

（3）焊接時注意焊點的空焊和虛焊。

（4）放置樣品時應采取適當的防護措施，防止試驗箱內水汽凝結在樣品表面，從而影響測試數據的準確性。

2.試驗階段。

（1）在施加測試電壓前，對樣品進行預處理48～96 h，有利于減小測試數據的波動范圍。

（2）定期將測試數據導入計算機進行備份，防止發生異常情況導致數據丟失。

（3）在質量電源輸入端加入毫安表監視測試電流，防止測試線路中出現局部短路導致數據錯誤。

（4）在每組樣品中用試驗用高溫導線組成雙絞線，并串聯一個750 MΩ的校驗電阻，定期監測其阻值變化，以監測高溫導線的絕緣性能退化程度。

六、試驗中異常現象及分析

1.異常一：試驗初期48～72 h，測試數據出現較大波動。

（1）原因。由于試驗初期部分采用涂覆工藝的樣品表面所吸收的水分尚未達到飽和，導致絕緣電阻值波動過大。

（2）解決方法。在施加測試電壓前，對樣品充分預處理，同時在試驗開始階段連續監視數據變化趨勢，檢測時間持續96 ～ 120 h，看變化趨勢是否穩定；若120 h后數據波動仍然較大，導線絕緣性能或樣品焊點質量是否可靠。

2.異常二：試驗中個別數據出現躍變。

（1）原因。由于數據采集儀取值時間較短，當讀數時，樣品尚未被完全極化。其絕緣電阻值尚未穩定，就會出現此類現象。

（2）解決方法。使用絕緣電阻測試儀對出現數據躍變的樣品進行復測。

3.異常三：部分樣品出現虛焊或空焊現象。

（1）原因。工作人員操作不認真。

（2）解決方法。由工作人員認真檢查，排除連接線中的虛焊或空焊現象。

4.異常四：樣品絕緣電阻值連續出現小于106 Ω的現象。

（1）原因。部分樣品叉指間出現導通或短路現象

（2）解決方法。通過對校驗電阻的監測，確定高溫導線絕緣性能是否退化。檢查樣品表面是否有冷凝水凝結，如有，調整樣品擺放位置。檢查樣品焊點是否出現連焊現象。

排除上述因素后，可用絕緣電阻測試儀復測讀數異常的樣品的絕緣電阻值，以確定是否由于測試圖形叉指間出現導通或短路造成失效，以便在試驗后的觀察中重點關注。

七、測試系統的局限性

該測試系統與部分專業定制的自動化測試系統相比，還存在以下局限。

1.試驗前搭建和調試系統耗時較多，且需要操作人員具有一定的專業知識。

2.操作界面不如自動化測試系統簡、潔明了。

3.尚不能直接讀取絕緣電阻值，測試數據需經過公式轉換成絕緣電阻。

4.讀數尚不能自動備份到計算機中，需要試驗人員定期導入。如遇計算機或測試設備發生故障、停電等異常，可能會造成部分試驗數據的丟失，影響試驗進程和結果判定。

八、結論

該測試系統在表面絕緣電阻測試方面具有精確度高、擴展性好、通用性強、成本低的特點，是實驗室在進行表面絕緣電阻測試時的一種較好選擇。