Wielowarstwowa odporność PCB na napięcie: zapewnienie izolacji warstwy na warstwę w krytycznych zastosowaniach

Obrazy autoryzowane przez klienta

W przypadku wielowarstwowych płytek PCB, wykorzystywanych we wszystkim, od napędów silników przemysłowych po sprzęt do obrazowania medycznego, izolacja warstwa po warstwie nie jest tylko szczegółem projektowym: jest to konieczność bezpieczeństwa i niezawodności.Te deski składają się z ponad 40 warstw miedzi i materiału dielektrycznego.W przypadku inżynierów, które nie są w stanie wykonywać pracy w systemie izolacyjnym, nie ma możliwości wykonania pracy w systemie izolacyjnym.zrozumienie, jak zoptymalizować zdolność wytrzymania napięcia poprzez wybór materiału, wybory projektowe i badania mogą zmniejszyć awarie w terenie o 60% i zapewnić zgodność z normami takimi jak IPC-2221 i UL 94.Oto, jak zaprojektować wielowarstwowe płytki PCB, które bezpiecznie obsługują ich przeznaczone napięcia.

Kluczowe wnioski
a. Wytrzymałość napięcia warstwy na warstwę zależy od materiału dielektrycznego, grubości izolacji i czynników środowiskowych (temperatura, wilgotność).
b. PCB na bazie FR-4 działają w zastosowaniach niskiego napięcia (≤500 V), podczas gdy systemy wysokiego napięcia wymagają specjalistycznych materiałów, takich jak PTFE lub laminaty wypełnione ceramiką.
c. Zmiany w projektowaniu: zaokrąglone ślady, jednolita rozstawka i odległość krawędzi zmniejszają ryzyko wyładowania korony w PCB wysokiego napięcia.
d. Badanie zgodnie z normami IPC-TM-650 (np. napięcie rozbicia dielektrycznego) zapewnia niezawodność w trudnych warunkach.

Dlaczego napięcie z warstwy na warstwę wytrzymuje materię?
PCB wielowarstwowe oddzielają warstwy zasilania, uziemienia i sygnału, ale sąsiednie warstwy często działają na różnych potencjałach.

a. Trójfazowy sterownik przemysłowy może mieć 480 V prądu przemiennego między warstwami zasilania.
b.System zarządzania akumulatorami pojazdów elektrycznych (BMS) posiada 600V+ pomiędzy warstwą wysokiego napięcia a warstwą sygnału.
c. Medyczny defibrylator wykorzystuje 2 kV pomiędzy warstwą magazynowania energii a warstwą kontrolną.

W przypadku awarii izolacji, przepływy między warstwami, ślady topnienia, uszkodzenie części lub stwarzanie zagrożeń dla bezpieczeństwa.000 na incydent (w tym przestojów i napraw), według ankiety przeprowadzonej przez IEEE.

Czynniki wpływające na wytrzymałość napięcia w PCB wielowarstwowych
Trzy podstawowe czynniki decydują o zdolności PCB do odporności na napięcie warstwy na warstwę:

1Właściwości materiału dielektrycznego
Pierwszą linią obrony jest warstwa izolacyjna (dielektryczna) między warstwami miedzi.

a. Wytrzymałość dielektryczna: maksymalne napięcie, któremu materiał może wytrzymać przed układem łukowym (mierzone w kV/mm).
b. rezystywność objętościowa: miara odporności izolacyjnej (większa = lepsza, mierzona w Ω·cm).
c. Stabilność termiczna: wydajność izolacji ulega degradacji w wysokich temperaturach; materiały o wysokim przejściu szklanym (Tg) utrzymują wytrzymałość.

2. Grubość izolacji
Gęstsze warstwy dielektryczne zwiększają zdolność do wytrzymania napięcia, ale z kompromisami:

a. 0,2 mm warstwa FR-4 wytrzymuje ~ 3 kV; podwojenie grubości do 0,4 mm zwiększa wytrzymałość do ~ 6 kV (zależność liniowa dla większości materiałów).
b. Jednakże grubsze warstwy zwiększają masę PCB i zmniejszają integralność sygnału w konstrukcjach dużych prędkości (np. 5G).

W przypadku wysokonapięciowych płyt PCB inżynierowie używają "marży bezpieczeństwa": projektowanie dla 2 × 3x napięcia operacyjnego.

3Środowiskowe czynniki stresujące
W rzeczywistych warunkach izolacja z czasem się pogarsza:

a.Temperatura: Każdy wzrost temperatury o 10°C powyżej 25°C obniża wytrzymałość dielektryczną o 5·8% (np. FR-4 w temperaturze 100°C traci 30% swojej wytrzymałości w temperaturze pokojowej).
b. wilgotność: wchłanianie wilgoci (często występujące w niepowlekanych PCB) obniża odporność.
c.Zanieczyszczenie: pył, oleje lub pozostałości strumienia tworzą przewodzące ścieżki.

Strategie projektowania dla podwyższenia napięcia
Inżynieria wielowarstwowych płyt PCB do wysokiego napięcia wymaga proaktywnego wyboru konstrukcji:

1Materiał odpowiadający wymaganiom napięcia
Niskie napięcie (≤500 V): standardowy FR-4 z warstwami dielektrycznymi o średnicy 0,1 mm do 0,2 mm działa w elektronikach konsumenckich (np. smart TV, routery).
Średnie napięcie (500 V ̇5 kV): FR-4 lub poliamid (PI) o wysokim Tg z warstwami 0,2 ̇0,5 mm nadaje się do czujników przemysłowych i portów ładowania EV.
Wysokie napięcie (5kV+): Laminaty wypełnione PTFE lub ceramiką (warstwa 0,5 mm) są kluczowe dla falowników mocy i defibrylatorów medycznych.

2. Zmniejszenie ryzyka
Wysokonapięciowe pola elektryczne koncentrują się na ostrych krawędziach (np. w kątach śladu 90 ° lub narażonej miedzi), tworząc rozładowanie korony ‒ maleńkie iskry, które z czasem niszczą izolację.

Zokrąglone ślady: do rozkładu pól elektrycznych należy użyć kątów o 45° lub zakrzywionych kątów zamiast kątów o 90°.
Zwiększenie odległości: Trzymaj ślady wysokiego napięcia 3 razy dalej od siebie niż ślady niskiego napięcia (np. 3 mm w porównaniu z 1 mm w przypadku 1 kV).
Poziomowe płaszczyzny: Dodać uziemioną warstwę "obrony" pomiędzy warstwami wysokiego i niskiego napięcia, aby utrzymać pola elektryczne.

3. Wypróżnienie krawędzi i układanie warstw
Odległość między krawędziami: upewnij się, że warstwy miedzi kończą się 2 ̊5 mm przed krawędzią PCB, aby zapobiec łukowi między odsłoniętymi warstwami.
Symetryczne układanie: Liczenie warstw równowagi (np. 4 warstwy: sygnał/ziemia/moc/sygnał) w celu uniknięcia wypaczenia, które może doprowadzić do pęknięcia warstw dielektrycznych.
Unikaj nakładania się przewodów: przewody stagowe pomiędzy warstwami, aby zapobiec przewodom przewodzącym przez izolację.

Badania i walidacja: zapewnienie niezawodności
Żaden projekt nie jest kompletny bez rygorystycznych testów:

1. Badanie rozpadu dielektrycznego
Metoda: stosowanie zwiększającego się napięcia AC/DC między warstwami do momentu wystąpienia łuku; rejestrowanie napięcia awaryjnego.
Standard: IPC-TM-650 2.5.6.2 określa warunki badania (np. 50 Hz prądu przemiennego, prędkość rampy 1 kV/s).
Kryteria zatwierdzenia: napięcie awaryjne musi przekraczać 2x napięcie robocze (np. 2kV dla układu 1kV).

2. Badanie częściowego rozładowania (PD)
Celem: wykrywa niewielkie, niezniszczające wyładowania (korona), które sygnalizują przyszłą awarię.
Zastosowanie: Krytyczne dla PCB wysokonapięciowych (5kV+); poziomy PD > 10pC wskazują na słabe izolacje.

3Badania środowiskowe
Cykl termiczny: badanie w temperaturze od -40°C do 125°C przez ponad 1000 cykli w celu symulacji starzenia.
Badanie wilgotności: 85°C/85% RH przez 1000 godzin w celu sprawdzenia odporności na wilgoć.

Wykorzystanie w świecie rzeczywistym i wyniki
a.Inwertery przemysłowe: napęd silnika o napięciu 3kV z warstwami PTFE o pojemności 0,5 mm (o nominalnej mocy 15kV) zmniejszył awarie pola o 70% w porównaniu z konstrukcjami FR-4.
b. Stacje ładowania EV: systemy 600V z FR-4 o wysokim Tg (0,3 mm warstwy) i pokryciem zgodnym utrzymywały 100% niezawodność w ciągu ponad 5000 cykli ładowania.
c. Obrazowanie medyczne: maszyny rentgenowskie o napięciu 2 kV wykorzystujące laminacje ceramiczne (1 mm warstwy) przeszły normy bezpieczeństwa IEC 60601-1, bez wykrycia PD w 3 kV.

Często zadawane pytanie
P: Czy wielowarstwowe płytki PCB z ponad 40 warstwami mogą obsługiwać wysokie napięcie?
Odpowiedź: Tak, ale układanie warstw jest kluczowe.

P: Jak liczba warstw wpływa na napięcie?
Odpowiedź: Więcej warstw zwiększa ryzyko awarii między warstwami, ale odpowiednie rozstawienie i osłona zmniejszają to. 12-warstwowy PCB z 0,2 mm PTFE między warstwami wysokiego napięcia może bezpiecznie obsługiwać 5 kV.

P: Jaki jest najtańszy sposób na zwiększenie napięcia?
Odpowiedź: W przypadku konstrukcji niskiego napięcia zwiększenie grubości dielektrycznej (np. 0,2 mm w porównaniu z 0,1 mm FR-4) zwiększa minimalne koszty, a jednocześnie podwaja wytrzymałość.

Wniosek
Wielowarstwowe układy PCB są równowagą pomiędzy nauką o materiałach, dyscypliną projektową i świadomością środowiskową.i sprawdzamy surowoInżynierowie mogą zapewnić izolację warstwy na warstwę nawet w najbardziej trudnych zastosowaniach.W przypadku systemów wysokonapięciowych, w których awaria nie jest opcją, to podejście proaktywne nie jest tylko dobrą konstrukcjąTo niezbędne.