I. Eristimen kestävyyden jännitteen heikkenemisen "ensisijainen syyllinen": pintaleikkausilmiö
Alumiinioksidieristimet toimivat samanaikaisesti sähköeristettyinä ja mekaanisina tukirooleina suuritehoisissa{0}}laitteissa ja suur-tyhjiö-/sähköimulaitteissa, mikä tekee niistä välttämättömiä avainkomponentteja. Suuren tyhjiön ja suuren kenttävoimakkuuden olosuhteissa kestävyysjännitteen pullonkaula ei kuitenkaan usein ole bulkkimateriaalissa, vaan pintaprosesseissa – tyypillisin on pintapurkauksen hajoaminen (eli pintapurkaus). Pintaleikkauksella tarkoitetaan ilmiötä, jossa vahvan sähkökentän alaisena kiinteän eristeen pinta ja sen viereinen väliaine (kaasu/neste; tyhjiössä, johon liittyy pinnalta desorboitunut kaasu ja elektroniemissio) ionisoituvat tai johtavat. Kiinteää pintaa pitkin kehittyy purkauskanava, joka kattaa elektrodivälin ja johtaa lopulta läpimurtoon ja eristysvaurioon. Tämä ilmiö ei ainoastaan heikennä merkittävästi korkeajännitteisten dielektristen laitteiden kestojännitettä ja toimintavarmuutta aiheuttaen mahdollisia taloudellisia tappioita, vaan toimii myös keskeisenä pullonkaulana, joka rajoittaa kiinteiden eristeiden tiiviyttä ja pienentämistä. Kynnysvertailun näkökulmasta aloitusjännite/kentänvoimakkuus pinnan ylilyönnille on tyypillisesti paljon pienempi kuin läpilyöntitaso bulkkihajoamisessa tai puhtaissa dielektrisissä rakoissa. Esimerkiksi: kun tyhjiöä käytetään eristävänä väliaineena, kriittinen läpilyöntikentän voimakkuus on noin 35 kV/mm; alumiinioksidikeraamin eristysväliaineena kriittisen tilavuuden kentänvoimakkuus on yleensä 30–40 kV/mm; kun taas alumiinioksidi-tyhjiöeristysjärjestelmässä käytetty kentänvoimakkuus saavuttaa usein vain yhdestä -osaan näistä kriittisistä arvoista ennen kuin se laukaisee eristeen pinnan välähdyksen, mikä saattaa jopa aiheuttaa paikallisia vahinkoja Al2O3-pinnalle.
II. Pintojen ylivuotojännitteeseen vaikuttavat tekijät
Tutkimukset osoittavat, että pinnan välähdystämiseen vaikuttavia tekijöitä ovat ensisijaisesti: käytetyn sähkökentän aaltomuoto ja amplitudi, tyhjiön taso ja jäännöskaasun koostumus, elektrodin rakenne ja materiaali, eristeen geometria ja mitat, eristeen materiaali ja pinnan ominaisuudet (karheus, puhtaus, adsorptio/kontaminaatio, pinnoite), esi{0}}pinnan esipurkaus ja kaasutus sekä muut pinnan lataukset adsorptio. Materiaalitutkimuksen näkökulmasta keskitytään tyhjiöelektroniikassa käytettävän keramiikan koostumukseen, muotoon ja pintaominaisuuksiin. Tärkeimmät pinnan välähdystämiseen vaikuttavat sähköparametrit ovat dielektrisyysvakio ε, sähkönjohtavuus σ ja sekundaarielektroniemissiokerroin δ (SEE). Yleisesti: ① Korkeampi dielektrisyysvakio pyrkii lisäämään sähkökentän vääristymiä elektrodi-eriste-tyhjiö-kolmoisliitoksessa, mikä alentaa pinnan ylivuotokynnystä. ② Sopivalla alueella lisääntynyt pinnan johtavuus kiihdyttää pintavarauksen hajoamista ja estää käynnistymistä, mutta liian korkea johtavuus lisää vuotovirtaa ja voi johtaa lämpöepävakauteen, joka on haitallista kestämään jännitettä. ③ SEEA-mallin mukaan pinnan sekundaarielektroniemissiokertoimen pienentäminen vaimentaa elektronien lisääntymistä, mikä lisää pinnan ylivirtausjännitettä.
Mitä tulee SEEA-malliin (SEE{0}}pohjainen purkausmekanismimalli): SEEA-mallia ehdottivat ensimmäisenä amerikkalaiset tutkijat Anderson ja Brainard. Tämä malli viittaa siihen, että käytetyllä korkealla jännitteellä elektrodi-eriste-tyhjiö-kolmoisliitoksesta emittoidut elektronit saavat energiaa, kiihtyvät ja pommittavat eristeen pintaa. Kun näiden törmäyselektronien energia saavuttaa tietyn kynnyksen, tapahtuu sekundäärinen elektroniemissio, joka jättää samanaikaisesti positiivisia varauksia eristeen pinnalle. Nämä toissijaiset elektronit sähkökentän vaikutuksesta pommittavat jälleen eristeen pintaa ja tuottavat lisää toisioelektroneja. Tämä prosessi toistuu, mikä lopulta johtaa sekundaariseen elektronivyöryyn.
III. Alumiinioksidikeramiikan pintaleimauksen vaimennustekniikat
Avain kiinteiden eristysmateriaalien eristyssuorituskyvyn parantamiseen on bulkkieristysominaisuuksien säilyttäminen samalla kun pyritään lisäämään pinnan ylivirtausjännitettä. Olemassa olevien mekanismien perusteella tärkeimmät parannustavat jakautuvat kahteen luokkaan: ① Pienennä pinnan sekundaarielektroniemissiokerrointa δ elektronien lisääntymisen estämiseksi; ② Suunnittele pintaresistiivisyys sopivaan ikkunaan nopeuttaaksesi pintavarauksen hajoamista välttäen näin liiallisen paikallisen kentän keskittymisen ja lämmön epävakauden. Rinnakkain näiden kahden "materiaalisähköisen parametrin" lähestymistavan kanssa suunnittelussa käytetään usein toisiaan täydentäviä geometrian/kentänjakauman ohjaustoimenpiteitä vähentääkseen kolminkertaisen -liitoksen kentänvoimakkuutta ja viivekanavan muodostusta. Esimerkiksi alumiinioksidikeraamisten eristeiden pinnalla olevien jaksottaisten poimutusten (tai urien) työstäminen voi kasvattaa ryömintäetäisyyttä, tasoittaa potentiaalintasauslinjoja, vähentää tangentiaalikentän voimakkuutta kolmoisliitoksessa ilman, että ulkomitat kasvavat, samalla katkaistaan elektronien paluureittejä ja pienennetään tehollista SEE-vahvistusta, mikä viivästyttää kanavan pinnan muodostumista ja ylivirtausta. Aallotusten harjat tulee pyöristää, jotta vältetään paikallisen kentän vahvistuminen uusissa terävissä reunoissa.