深海高压环境下柔性-刚性界面电击穿抑制机制研究及其封装设计启示

【编辑推荐】针对深海高压环境中高电压电子元件封装界面易击穿的难题，研究人员通过PDMS-FR-4界面实验，揭示水静压(Hydrostatic pressure)通过抑制空腔放电(CDIE)和接触点局部电场增强的双重机制提升击穿强度(BDS)，为深海压力耐受系统(PTS)的轻量化封装设计提供理论依据。

　　

深海探索是当前科技前沿领域，但高压、低温及海水渗透等极端环境对电子设备可靠性提出严峻挑战。传统刚性压力容器存在重量大、成本高的缺陷，而采用聚合物封装的压力耐受系统(PTS)虽能减轻重量，其柔性-刚性界面在高压下的电绝缘性能却缺乏系统研究。当封装界面发生电击穿时，可能导致设备短路甚至系统失效。更棘手的是，现有研究多聚焦1 MPa以下的低压环境，对深海数千米（对应数十MPa压力）的极端条件鲜有涉及。

为攻克这一难题，浙江大学的研究团队在《Extreme Mechanics Letters》发表论文，首次系统探究了0.1-30 MPa水静压对聚二甲基硅氧烷(PDMS)-FR-4玻璃环氧树脂界面的电击穿行为影响。通过高压击穿实验结合界面接触理论建模，发现水静压使击穿强度(BDS)呈现两阶段提升：0.1-0.75 MPa区间快速增加2.11倍，0.75-30 MPa区间增速减缓。微CT等表征技术证实高压能有效抑制碳化、电极缺陷等击穿损伤扩展，这为深海电子设备的轻量化封装提供了重要设计准则。

关键技术方法包括：1）搭建含高压容器（油介质传递压力）和Trek 20/20C高压放大器的实验系统；2）基于Greenwood-Williamson接触理论建立界面模型，计算空腔放电起始场(CDIE)和接触点局部电场；3）采用Weibull分布统计63.2% BDS数据；4）通过光学显微镜和微CT三维成像分析击穿后样品形貌。

【Experiment setup】
自主设计的高压-水静压耦合实验系统可模拟深海环境，压力通过绝缘油传递至PDMS-FR-4界面样本，结合Tektronix信号发生器和高压放大器实现精准电压控制。

【Interfacial contact theory】
建立考虑弹性/塑性变形的接触模型，关键参数包括粗糙峰高度标准差σ、平均曲率半径β_m和接触点密度η，推导出真实接触面积A_r与名义面积A_n比值A_k随压力p_a的变化规律。

【Breakdown strength increases with hydrostatic pressure】
实验数据揭示BDS与水静压呈正相关，0.75 MPa时CDIE达到临界值，此后接触点绝缘特性主导击穿过程。理论计算表明低压段（<0.75 MPa）空腔放电是击穿主因，其起始场强随压力快速提升；高压段（>0.75 MPa）接触点电场增强效应成为限制因素。

【Conclusion】
研究证实水静压通过双重机制抑制柔性-刚性界面击穿：低压阶段通过提升空腔放电阈值，高压阶段通过改善接触点绝缘性能。微CT显示30 MPa压力下碳化通道宽度比常压减少38%，证实高压能有效约束损伤扩展。该成果不仅阐明深海极端环境下界面绝缘行为的物理机制，更指导PTS封装设计——在浅海区域（<750米）需重点优化界面空腔结构，在深海区域（>750米）应改善材料接触性能。

这项研究由浙江省"领雁"研发攻关计划（2023C03007）和国家自然科学基金（T2125009、1247020271）联合资助，Dingnan Rao为第一作者，Tiefeng Li和Zheng Chen担任通讯作者。团队特别指出，未来需进一步研究温度-压力耦合场对界面绝缘性能的影响，以应对深海真实工况。