Jak wielowarstwowe PCB rozwiązują problem napięcia wytrzymywanego między warstwami

W urządzeniach elektronicznych wysokonapięciowych, od zasilania przemysłowego po maszyny do obrazowania medycznego, wielowarstwowe płyty PCB stoją przed krytycznym wyzwaniem:zapewnienie niezawodnej izolacji między warstwami w celu zapobiegania awarii elektrycznej. W przeciwieństwie do jednowarstwowych lub podwójnych płyt PCB, które mają mniej warstw do izolacji, wielowarstwowe płyty PCB stosują 3+ warstw miedzi, tworząc wiele potencjalnych punktów do wycieku napięcia lub łuku.poprzez zaawansowane materiały dielektryczne, precyzyjna konstrukcja i rygorystyczna produkcja, wielowarstwowe płyty PCB nie tylko rozwiązują problemy z napięciem, ale również zapewniają lepszą wydajność i trwałość.Niniejszy poradnik przedstawia, w jaki sposób wielowarstwowe płyty PCB rozwiązują problemy z napięciem międzywarstwowym, od wyboru materiału po testowanie i dlaczego partnerzy tacy jak LT CIRCUIT są kluczowi dla bezpiecznych projektów wysokiego napięcia.

Kluczowe wnioski
1Materiały dielektryczne stanowią podstawę: wysokiej jakości materiały takie jak FR-4 (epoksy + włókno szklane) lub dielektryki wzmocnione nanocząstkami blokują wyciek napięcia, wytrzymując 200-500 V na mili grubości.
2Precyzyjna kontrola izolacji: grubość izolacji (minimum 2,56 mm dla klasy IPC 3) i rozstawienie warstw (minimum 8 mm odwiertu do miedzi) zapobiegają łukowi i zwarciom.
3.Zasadnicze znaczenie ma projektowanie układów: równomierne układanie warstw, dedykowane płaszczyzny podłoża / mocy i oddzielne warstwy sygnału zmniejszają napięcie i hałas.
4.Rygoryczne badania nie podlegają negocjacjom: badania mikrosekcji, cykli termicznych i odporności na izolację powierzchni (SIR) wykrywają słabe punkty, zanim spowodują awarie.
5Dokładność produkcji: kontrolowana laminacja (170-180°C, 200-400 PSI) i obróbka tlenkowa zapewniają silne wiązania warstw i spójną izolację.

Dlaczego PCB wielowarstwowe są odporne na napięcie
Napięcie oporowe (zwane również napięciem oporowym dielektrycznym) jest maksymalnym napięciem, które PCB może obsłużyć bez awarii elektrycznej, gdy prąd przecieka między warstwami, powodując krótkie, łukowe,lub nawet pożarówW przypadku PCB wielowarstwowych wyzwanie to jest jeszcze większe, ponieważ:

1Więcej warstw = więcej punktów izolacyjnych: Każda para warstw miedzi wymaga niezawodnej izolacji, zwiększając ryzyko awarii, jeśli jakaś z warstw zostanie naruszona.
2Aplikacje wysokonapięciowe wymagają rygoru: urządzenia sterujące w przemyśle (480 V), urządzenia medyczne (230 V) i systemy motoryzacyjne (400 V baterii elektrycznych) wymagają PCB wytrzymających stałe napięcie.
3Czynniki środowiskowe pogarszają ryzyko: wilgoć, ciepło i wibracje mogą z czasem pogarszać izolację, zmniejszając napięcie oporowe i skracając żywotność urządzenia.

Pojedyncza awaria izolacji może mieć katastrofalne konsekwencje, np. krótko w PCB baterii EV może spowodować ucieczkę cieplną, podczas gdy przeciek w medycznym PCB MRI może zakłócić opiekę nad pacjentem.Wielowarstwowe PCB rozwiązują te zagrożenia poprzez ukierunkowane projektowanie i produkcję.

Jak wielowarstwowe płytki PCB rozwiązują problemy z napięciem międzywarstwowym
Wielowarstwowe płytki PCB odpowiadają na napięcie poprzez trzy podstawowe strategie: wysokiej wydajności materiały dielektryczne, precyzyjna konstrukcja izolacji i kontrolowane procesy produkcyjne.Poniżej przedstawiono szczegółowy podział każdego z tych podejść.

1Materiały dielektryczne: pierwsza linia obrony
Materiały dielektryczne (izolatory) oddzielają warstwy miedzi, blokując wyciek napięcia.o właściwościach takich jak wytrzymałość dielektryczna (napęd na jednostkę grubości) i odporność na wilgoć, będące krytyczne.

Wspólne materiały dielektryczne do wysokiego napięcia

Dlaczego wybór materiału LT CIRCUIT® wyróżnia się
LT CIRCUIT wykorzystuje najwyższej klasy materiały dielektryczne dostosowane do potrzeb napięcia:
a.W przypadku ogólnych konstrukcji wysokonapięciowych: FR-4 o wytrzymałości dielektrycznej ≥ 400 V/mil, badane zgodnie z normami IPC-4101.
b.W ekstremalnych warunkach: FR-4 lub PTFE wzmocnione nanocząstkami, zapewniające wytrzymanie napięcia do 700 V/ml.
c. Do zastosowań medycznych/motoryzacyjnych: Materiały o niskiej absorpcji wilgoci (<0,1%) w celu zapobiegania degradacji izolacji w czasie.

Uwaga: siła dielektryczna nie jest stała ̇ grubsze materiały mogą wytrzymać wyższe napięcie całkowite.

2. Grubość izolacji i rozstawienie warstw: zapobieganie łukowi
Nawet najlepszy materiał dielektryczny ulega awarii, jeśli jest zbyt cienki lub warstwy są zbyt blisko siebie.

Wytyczne dotyczące grubości izolacji
Grubość izolacji zależy od maksymalnego napięcia, z którym PCB musi się zmierzyć, zgodnie ze standardami, takimi jak IPC-2221:
a.Minimalna grubość: 2,56 mil (65 μm) dla płyt klasy 3 IPC (krytyczne zastosowania, takie jak medyczne / motoryzacyjne).
b.Pomiar oparty na napięciu: na każde 100 V napięcia roboczego dodaj 0,5 ‰ 1 ml izolacji. Na przykład 1000 V PCB potrzebuje 10 ‰ 20 ml izolacji między warstwami wysokiego napięcia.
c. Kontrola tolerancji: LT CIRCUIT utrzymuje tolerancję grubości ±2 mil dla płyt o grubości < 15 mil, zapewniając jednolite izolacje w całym PCB.

Odległość między warstwami: Unikanie szortów od wiertarki do miedzi
Odległość między warstwami (odległość pomiędzy warstwami miedzianymi a wiasami) jest równie istotna, zwłaszcza podczas wiercenia (które może nieznacznie przesunąć warstwy):
a.Minimalna przepustowość od wiertarki do miedzi: 8 mil (203 μm) na IPC-2222, zapobiegając uderzeniu wiertarki w miedź i powodowaniu krótkich sznurków.
b.Projekt anty-pad: LT CIRCUIT wykorzystuje "anty-pady" (nadmierna przestrzeń wolna od miedzi wokół przewodów) w celu zwiększenia wolności do 9 ‰ 10 mil, dodając bufor bezpieczeństwa.
c. Położenie warstwy: poprzez ustawienie lasera, warstwy są rejestrowane w zakresie 50 μm (1,97 mil), zapewniając, że odstęp pozostaje spójny.

Przykład: 4-warstwowy PCB dla czujnika przemysłowego o napięciu 500 V wykorzystuje izolację 5 ml między warstwami i 9 ml wolności od wiertniczej do miedzi, zapobiegając łukowi nawet w przypadku podgrzewania PCB do 125 °C.

3Projektowanie układów stack-up: zmniejszenie napięcia
Dobrze zaprojektowane warstwy rozkładają napięcie równomiernie, zmniejszając naprężenie izolacji.
1Liczba warstw i symetria
a.warstwa równa: 4, 6 lub 8 warstw zapobiega wypaczeniu podczas laminowania (symetryczne rozszerzanie się pod wpływem ciepła/ciśnienia), co może prowadzić do pęknięcia izolacji.
b.Zrównoważone rozkładanie miedzi: równe pokrycie miedzi po obu stronach dielektryku zmniejsza stężenie napięcia (nierównomierne miedź może powodować gorące punkty).

2Dedykowane samoloty naziemne/energetyczne
a.Płaszczyzny naziemne jako osłony: Wewnętrzne płaszczyzny naziemne między warstwami sygnału pochłaniają hałas napięcia i działają jako bariera między warstwami wysokiego i niskiego napięcia.
b.Izolacja płaszczyzny zasilania: płaszczyzny zasilania wysokiego napięcia (np. zasilanie 400 V EV) są oddzielone od warstw sygnału niskiego napięcia grubością izolacji (10+ mil), zapobiegając wyciekowi.

3. Separacja warstwy sygnału
a. Brak sąsiadujących warstw sygnału: umieszczenie warstw sygnału obok płaszczyzny ziemsko-energetycznej (nie inne warstwy sygnału) zmniejsza przepływ sygnału i sprzężenie napięcia między sygnałami.
b. Kontrola impedancji: ślady na warstwach zewnętrznych są zaprojektowane do 50Ω (RF) lub 100Ω (pary różnicowe), zapobiegając odbijaniu sygnału, które mogłoby obciążyć izolację.

LT CIRCUIT's Stack-Up Benchmarks (według norm IPC):

4Procesy produkcyjne: zapewnienie ciągłej izolacji
Nawet najlepsze rozwiązania nie są skuteczne, gdy są słabo wytwarzane.

Laminat: Łączenie warstw bez słabych punktów
Proces laminacji LT CIRCUIT® jest zoptymalizowany dla płyt PCB wysokonapięciowych:
a. Kontrola temperatury: 170-180°C (338-356°F) w celu utwardzenia epoksydu bez uszkodzenia materiałów dielektrycznych.
b.Ciśnienie: 200-400 PSI (funta na cal kwadratowy) w celu zapewnienia szczelnych wiązań warstw, eliminując bąbelki powietrza (które powodują luki izolacyjne).
c. Odgazowanie próżniowe: usuwa powietrze pomiędzy warstwami, zapobiegając pustkom, które mogłyby prowadzić do rozpadu.
d.Kontrolowane chłodzenie: powolne chłodzenie (5°C na minutę) zapobiega naprężeniu cieplnemu, które powoduje pęknięcie izolacji.

Obsługa tlenkiem: wzmocnienie wiązań warstw
a. powłoka tlenku miedzi: przed laminowaniem warstwy miedzi są obróbane cienką warstwą tlenku miedzi, co poprawia przyczepność do materiałów dielektrycznych.W ten sposób zapobiega się delaminacji (oddzieleniu warstw), która naraża izolację na wilgoć i napięcie.
b.Kontrolowanie jakości: po laminowaniu badania ultradźwiękowe wykrywają ukryte delaminaty lub próchnice. LT CIRCUIT odrzuca deski o pokryciu próchnicą > 1%.

Wyrywanie i pokrycie: Unikanie uszkodzenia izolacji
a.Wykopywanie laserowe: w przypadku mikrowia (68 mil), wiertarka laserowa jest dokładniejsza niż wiertarka mechaniczna, zmniejszając ryzyko uszkodzenia sąsiednich warstw.
b. Kontrola elektroplasty: miedziane pokrycie przewodów jest ograniczone do grubości 25-30 μm, zapobiegając nagromadzeniu się pokrycia, które może zmniejszyć odległość izolacyjną.

Badania i kontrola jakości: sprawdzanie napięcia
Żaden wielowarstwowy PCB nie jest gotowy do stosowania w wysokim napięciu bez rygorystycznych testów.

1. Badania elektryczne
a.Dieletryczny test odporności (DWV): stosuje się 1,5x napięcie robocze przez 60 sekund (np. 750 V dla 500 V PCB) w celu sprawdzenia wycieku. Prąd wycieku > 100 μA wskazuje na awarię izolacji.
b. Badanie odporności na izolację powierzchni (SIR): pomiar odporności pomiędzy śladami miedzi (akceptowane jest ≥10^9 MΩ) w czasie, symulacja wilgoci i ciepła w celu sprawdzenia długoterminowej stabilności izolacji.
c. Badanie sondy lotniczej: wykorzystuje sondy robotyczne do sprawdzania krótkich obwodów między warstwami, wykrywając błędy wiertnicze do miedzi.

2Badania fizyczne i termiczne
a. Mikrosekcja: Przecinek przekrojowy PCB, w celu sprawdzenia grubości izolacji, wyrównania warstwy i pustek pod mikroskopem.
b.Testowanie cyklu termicznego: cykluje PCB w temperaturze od -40°C do 125°C przez 1000 cykli w celu symulacji zmian temperatury w rzeczywistości..
c. Skanowanie X-ray CT: tworzy obrazy 3D płyty PCB w celu wykrycia ukrytych pustek lub delaminacji, które mogą zostać pominięte przez mikrosekcję.

3. Certyfikacje materiałów
a.Certyfikacja UL: zapewnia, że materiały dielektryczne są opóźniające ogień (UL 94 V-0) i spełniają normy napięcia.
b. Zgodność z IPC: Wszystkie PCB spełniają kryteria IPC-6012 (kwalifikacja PCB sztywnych) i IPC-A-600 (kryteria akceptacji) w zakresie izolacji i jakości warstwy.

Wspólne wyzwania i rozwiązania
Nawet przy najlepszych praktykach, wielowarstwowe płyty PCB stoją w obliczu wyzwań związanych z napięciem.
1. Złamanie dielektryczne z powodu wilgoci
Wyzwanie: Absorpcja wilgoci (często występująca w FR-4) zmniejsza wytrzymałość dielektryczną o 20-30%, zwiększając ryzyko awarii.
Rozwiązanie: LT CIRCUIT wykorzystuje materiały o niskiej absorpcji wilgoci (< 0,1% wchłaniania) i pokrycia zgodne (akrylowe lub silikonowe) do PCB zewnętrznych/przemysłowych, blokujące penetrację wilgoci.

2. Izolacja pod wpływem naprężenia termicznego
Wyzwanie: Wysokie temperatury (np. w bateriach elektrycznych) powodują, że materiały dielektryczne rozszerzają się, rozbijając izolację między warstwami.
Rozwiązanie: LT CIRCUIT wybiera materiały o niskim współczynniku rozszerzenia cieplnego (CTE) ̇ np. FR-5 (CTE: 13 ppm/°C) w porównaniu ze standardowym FR-4 (17 ppm/°C) ̇ i dodaje przewody cieplne do rozpraszania ciepła.

3Delaminacja warstw
Wyzwanie: Niewłaściwe laminowanie lub obróbka tlenkiem powoduje, że warstwy oddzielają się, co naraża izolację na napięcie.
Rozwiązanie: LT CIRCUIT wykorzystuje laminację próżniową, obróbkę tlenkiem i badania ultradźwiękowe w celu zapewnienia 99,9% przyczepności warstwy.

4. Przepływ napięcia między warstwami
Wyzwanie: warstwy wysokiego napięcia mogą powodować hałas w warstwach sygnału niskiego napięcia, zakłócając jego działanie.
Rozwiązanie: LT CIRCUIT umieszcza płaszczyznę naziemną między warstwami wysokiego i niskiego napięcia, tworząc osłonę blokującą przesłanie krzyżowe.

Częste pytania
1Jaka jest minimalna grubość izolacji dla 1000V wielowarstwowego PCB?
W przypadku 1000 V należy użyć 10 ‰ 20 ml izolacji (FR-4: 400 V / mil) w celu zapewnienia bufora bezpieczeństwa. LT CIRCUIT zaleca 15 ml dla większości zastosowań 1000 V, z tolerancją ± 2 ml.

2Jak LT CIRCUIT sprawdza ukryte puste izolacje?
LT CIRCUIT wykorzystuje tomografię komputerową rentgenowską i badania ultradźwiękowe do wykrywania próżni < 50 μm. Mikrosekcja jest również stosowana do badania przekroczeń pod kątem luki między warstwami.

3Czy wielowarstwowe PCB mogą wytrzymać napięcie AC i DC w równym stopniu?
Materiały dielektryczne radzą sobie lepiej z prądem stałym niż prądem przemiennym (przemienny powoduje polaryzację, zmniejszając napięcie oporowe).

4Co się stanie, jeśli izolacja wielowarstwowych PCB ulegnie awarii?
Niewydolność izolacji powoduje wyciek prądu, co może prowadzić do:
a. zwarcia (szkodzące komponentom).
b. Łukowanie (tworzenie iskry lub ognia).
c. Ucieczka cieplna (w urządzeniach o dużej mocy, takich jak baterie EV).

5Jak długo trwa izolacja w wielowarstwowym PCB?
Przy odpowiednim wyborze materiału i produkcji izolacja trwa 10 ̇ 20 lat w zastosowaniach wewnętrznych.

Wniosek
PCB wielowarstwowe rozwiązują wyzwania związane z napięciem międzywarstwowym dzięki połączeniu wysokiej jakości materiałów, precyzyjnego projektu i rygorystycznej produkcji.Wybór materiałów dielektrycznych o wysokiej wytrzymałości, kontrolując grubość izolacji i rozstawienie warstw oraz weryfikując je kompleksowymi badaniami, te PCB zapewniają bezpieczne i niezawodne działanie w zastosowaniach wysokonapięciowych, od pojazdów elektrycznych po urządzenia medyczne.

Partnerzy tacy jak LT CIRCUIT mają kluczowe znaczenie dla tego sukcesu: ich doświadczenie w wyborze materiałów, projektowaniu układów i kontroli jakości zapewnia, że PCB spełniają najbardziej rygorystyczne normy napięcia.W miarę jak elektronika wysokonapięciowa staje się coraz powszechniejsza (eNa przykład, w przypadku elektrycznych urządzeń elektrycznych o napięciu 800 V, stacji bazowych 5G), rola dobrze zaprojektowanych wielowarstwowych płyt PCB będzie tylko rosnąć.

Dla projektantów i inżynierów kluczowa konkluzja jest jasna: napięcie odporne nie jest kwestią późniejszą, ale musi być zintegrowane z każdym etapem projektowania i produkcji wielowarstwowych płyt PCB.Priorytetyzacja jakości izolacji, można budować urządzenia, które są bezpieczne, trwałe i gotowe na wymagania nowoczesnej technologii wysokiego napięcia.