Überlegungen zum Design von Hochspannungs-PCBs

Ich dachte immer, dass Hochspannungs-Anwendungen auf die Starkstromtechnik beschränkt wären. Da ich kein Interesse an der Arbeit in einem Kraftwerk oder einem Umspannwerk hatte, bleib mir das Design von Hochspannungs-PCBs erspart. Leider bewies mir meine Begeisterung für Raumfahrtanwendungen das Gegenteil und ich musste mich meiner Faulheit stellen. Es ist nämlich so, dass Hochspannungsanwendungen in fast jedem Bereich vertreten sind: von der produzierenden Industrie über Kraftwerke und die Medizintechnik bis zur Raumfahrt.

Beim Design einer PCB für Hochspannungsanwendungen müssen Sie in jeder Phase des Design und der Herstellung zahlreiche Details berücksichtigen. Die Leiterplatte muss rauen Betriebsbedingungen widerstehen und wird wesentlich stärker von der Lebensdauer der Bauteile und Materialien abhängig sein. Wenn Sie sich der Herausforderung stellen wollen, haben wir hier einige Design-Tipps für Sie, bevor Sie mit Ihrem Layout beginnen.

Bedenken Sie Ihre Betriebsfrequenz

Die Betriebsfrequenz Ihres Produkts beeinflusst das Hochspannungs-Design genauso stark, wie sich ESD-Phänomene und der Umgang mit Störbeeinflussungen auf die Leiterplatte auswirken. Das liegt daran, dass es bei höheren Frequenzen schon bei niedrigeren Spannungen zu Lichtbögen kommt und dass strikte Abstände zu den Signalleitungen eingehalten werden müssen.

Am anderen Ende des Frequenzspektrums bedarf auch der Niederspannungsgleichstrom Ihrer Aufmerksamkeit. Unter bestimmten Umgebungsbedingungen kann eine Potenzialdifferenz zu Ätzungen und elektrochemischer Migration führen. Beides ist unerwünscht, jedoch stellt die elektrochemische Migration das größere Risiko für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Hochspannungs-Designs dar. Das liegt daran, dass Pads und Leiterbahnen feine, leitfähige Filamente ausbilden, die auch als Whiskers bezeichnet werden. Diese verursachen letztendlich Kurschlüsse zwischen den Potenzialen, erzeugen jedoch mindestens Punkte mit erhöhter Lichtbogengefahr und reduzieren die effektiven Luft‑ und Kriechstrecken auf Ihrer Platine.

Elektrochemische Migration kommt am häufigsten bei Zinn und Silber vor, aber auch Kupfer bildet gelegentlich die zerstörerischen Filamente aus. Zur Risikominimierung sollten Sie kein reines Zinn oder Silber zur Oberflächenveredlung auf Ihrem PCB einsetzen. Wenn Sie Zinn benutzen, wird ein geringer Bleianteil empfohlen, weil so das Wachstum der leitfähigen Filamente stark gehemmt wird.

^{Bei vielen Metallen können 'Whiskers' entstehen. Zinn-Whiskers sehen oft etwas fraktaler aus.}

Stufen Sie Ihre Bauteile herab

Wenn Sie für belastungsintensive Umgebungen entwickeln, werden Ihre Bauteiltoleranzwerte „herabgestuft“. Das bedeutet, dass Sie den funktionsfähigen Maximalwert für Stromstärke, Spannung oder Temperatur eines Bauteils oder Materials reduzieren, um dessen Lebensdauer in Ihrem Produkt zu verbessern. Oft lässt sich dieser Wert einfach durch Abzug eines Prozentsatzes von den Herstellerangaben berechnen. Der Prozentsatz findet sich oft in einem MLI-STD oder einer anderen Spezifikation, die durch Ihre Kunden und die Betriebsumgebung für Ihr Produkt festgelegt wird.

In vielen Fällen werden die Materialien auf den durchschnittlichen Parameterwert herabgestuft, dem sie voraussichtlich ausgesetzt sind, um die Anforderungen weniger streng und die Produktion günstiger zu machen. Allerdings besteht bei Hochspannungs-Designs die Gefahr von Überspannungen, die zur Lichtbogen‑ oder Koronabildung auf der Leiterplatte führen können. Sie sollten daher auf die Maximalspannung und nicht auf die Durchschnittsspannung herabstufen, um die Widerstandsfähigkeit Ihres Produkts gegen Überspannungen zu verbessern.

Wählen Sie Ihre Bauteile aus

Nach dem Herabstufen müssen Sie vielleicht feststellen, dass einige Ihrer ausgewählten Bauteile nicht für die Betriebsumgebung Ihres Produkts geeignet sind. Selbst, wenn alle bestehen sollten, ist es ratsam, jedes Bauteil erneut zu prüfen. Die Hochspannungsumgebung führt zu starken Schwankungen im elektrischen Feld auf Ihrem PCB, kann aber auch Feldbelastungen innerhalb einzelner Bauteile hervorrufen. Um die Zuverlässigkeit jedes Bauteils zu gewährleisten, empfiehlt Sierra Proto Express eine Mindestreserve von 1,5:1 und gegebenenfalls sogar 2:1.

In einigen Fällen führen Spannungsschwankungen nicht nur zu Schäden an den Bauteilen, sondern bilden auch Ausgangspunkte für platinenübergreifende Entladungen. Die Packungsdichte der Bauteile sollte daher sorgfältig bedacht werden, da sich das elektrische Feld an den Gehäusen und Kanten mit spitzen Winkeln konzentrieren kann. Dasselbe gilt für Befestigungsmaterialien, Klemmen und Steckverbinder. Alles sollte den maximal möglichen Radius aufweisen, um das elektrische Feld zu verteilen und die Bildung von Überschlagstellen auf Ihrer Leiterplatte zu vermeiden.

^{Gehäuse und Lötverbindungen können das elektrische Feld auf Ihrem PCB konzentrieren und das Übersschlagrisiko steigern.}

Das Design von PCBs für Hochspannungsanwendungen stellt eine besondere Herausforderung dar. Allerdings sind die Anwendungen heute so zahlreich, dass man heute kaum noch um die Arbeit an Hochspannungs-Designs herumkommt. Zum Glück gibt es großartige PCB-Design-Software wie Altium Designer, die Ihnen bei dem Umgang mit Entwurfsregeln und der Entwicklung einer guten Platine helfen kann.

Haben Sie eine Frage zu Hochspannungs-Designs? Dann kontaktieren Sie einen Experten bei Altium.