Entwurf einer Leiterplatte für Hochspannung: PCB-Lagen

Meine Schwester hat früher Torten als 4-H Projekt dekoriert, während ich Hühner zeigte und einen Computer baute. Sie musste jedes Jahr mindestens sechs „Ausstellungsqualität“ Torten kreieren, plus all die Versionen, die nicht perfekt wurden. Es stellt sich heraus, dass man tatsächlich genug von Kuchen bekommen kann, also verwendet man schließlich Styroporformen und dekoriert diese. Das gibt einem die Chance, das Design zu üben, bevor man es auf einen echten Kuchen aufträgt. Das richtige Design zu finden, könnte ein Dutzend Versuche dauern, und selbst dann kann ein kleiner Fehler beim Dekorieren alles ruinieren.

Um eine schmackhafte Analogie zu verwenden, kann man sich eine PCB wie einen Kuchen vorstellen. Die Platine ist der Kuchen, aber man benötigt Kupferbahnen, Lötzinn und Überzüge, wie verschiedene Arten von Zuckerguss, um alles zusammenzubringen. Man muss entscheiden, welche Materialien man verwenden wird, damit man sicher sein kann, dass das Design funktioniert. Und wie beim Zuckerguss kann ein kleiner Fehler in jeder Phase ein fabelhaftes Design in ein trauriges Durcheinander verwandeln, besonders wenn man mit Hochspannung arbeitet.

Das Designen von Platinen mit starken Kupferbahnen

Da leichteres Kupfer bei geringerer mechanischer und thermischer Belastung versagt, sollten Sie ein schwereres Kupfer für die Leiterbahnen und Pads in Betracht ziehen. Bei Designs mit schwerem Kupfer-PCB sollten Sie die dicksten Laminatschichten verwenden, die Sie können. Anders als bei Kuchen sind Luftblasen im Laminat nicht fluffig und nett. In diesem Kontext verursachen sie den dielektrischen Durchbruch und die Spannungsfestigkeit der Platine nimmt ab. Sie können Luftlücken mit einem guten Prepreg minimieren, wie 2113 oder 1080, die einen hohen Harzgehalt und kleine Glaspartikel haben.

Sie möchten selten Laminat mischen, aufgrund des Risikos von Materialunverträglichkeiten oder Hohlräumen während der Fertigung, aber gelegentlich kann es funktionieren, eine Schicht Prepreg durch HVPF zu ersetzen. Sie sollten mit Vorsicht vorgehen, wie beim Mischen von Schichten aus Schokoladen- und Karottenkuchen.

Planung für Lötstopplack

Lötstopplack (manchmal auch "Lötstoppmaske" oder "Lötresist" genannt) ist wie die Dekoration auf der obersten Zuckerglasur. Er wird über die schweren Kupfer-PCB-Überlegungen auf Ihren Leiterbahnen aufgetragen, um Oxidationsschäden zu verhindern, was besonders wichtig für Hochspannungs-PCBs ist.

Wie Zuckerguss ist die Lötstopplack sehr temperaturempfindlich. Sie schmilzt nicht, aber die Spannungsfestigkeit eines Lötstopplacks fällt signifikant, wenn die Betriebstemperatur steigt.

Standard-Lötresists sind nicht kohärent, was bedeutet, dass sie häufig Pinholes oder andere kleine Hohlräume entlang der Kanten der Leiterbahnen aufweisen, nachdem der Lack aufgetragen wurde. Es ist leicht, dass Partikel und andere Verunreinigungen in diesen Bereichen des Lacks gefangen werden und auch den effektiven Spannungsschutz verringern.

Lötstoppmasken sind eine gute Wahl, wenn Sie nur Spannungen bis zu etwa 1 kV verwenden. Es könnte möglich sein, eine Maske bis zu 5 kV zu verwenden, aber Sie können keine eng beieinander liegenden Pads oder Leiterbahnen irgendwo auf der Platine haben. Die Überschlagfestigkeit für UV-Lötstopplacke liegt bei etwa 500 V/mil mit ihrer üblichen Dicke von 0,7-1,5 mil.

Für Mittelspannungsschaltungen sollten Sie zwei oder drei Anwendungen der Lötstopplackierung vornehmen. Die zusätzlichen Anwendungen bedeuten, dass Sie mehr Freiraum um Pads und Löcher auf der Oberfläche benötigen werden. Fragen Sie Ihren Hersteller früh im Designprozess, damit Sie später nicht viel Zeit mit dem Umarrangieren des Layouts verlieren. Sie sollten auch fragen, ob die Maske eine zusätzliche Ofenhärtung (nur für UV-Masken) und/oder einen UV-"Bump" (für UV- und ofengehärtete Masken) erhalten kann. Die zusätzliche Aushärtung wird die Maske härter und stärker machen.

Sie sollten auch die Oberfläche der Platine im Hinblick auf eventuelle gefräste Kanten planen. Das Fräsen kann den Lötstopplack absplittern lassen und Defekte einführen, die die Überschlagspannung verringern. Denken Sie daran wie an das Schreiben einer Nachricht mit Zuckerguss, Sie möchten nicht, dass sie über den Rand läuft, also benötigen Sie ein wenig Puffer. Selbst 0,25 mm sind ausreichend, um den Lötstopplack vor gefrästen Kanten zu schützen, aber Sie sollten den Abstand bei schwerem Kupfer für Hochspannungsplatinen erhöhen. Dieser zusätzliche Raum gibt genug Platz, damit der Lötstopplack das Kupfer vollständig abdecken kann und erhöht die effektive Dielektrizität.

Sie können eine Lötstoppmaske überziehen, indem Sie zwei Schichten auf die Oberfläche der Platine auftragen, ähnlich wie das Auftragen einer Krümelschicht Zuckerguss und dann die dekorative Schicht. Lassen Sie die Beschichtungen unter orthogonalen Winkeln über die Platine auftragen, um die Größe der während des Beschichtungsprozesses entstehenden Hohlräume zu minimieren? Dies wird erheblich dazu beitragen, das Auftreten von Lichtbögen und Koronaschäden an der Platine zu verringern.

Die Lötstoppmaske neigt dazu, abzusplittern, wenn sie gefräst wird, daher sollten Sie eine Pufferzone entwerfen, anstatt die Maske wie Zuckerguss über die Kanten fließen zu lassen.

Verwendung von Überzügen

Es gibt andere Überzüge, die Sie auf die Oberseite Ihrer Leiterplatte auftragen können, um Kupferleiterbahnen zu schützen und den dielektrischen Wert über die Oberfläche der Platine zu erhöhen.

Am meisten verbreitet ist ein Kapton-Überzug, der einen hohen dielektrischen Wert aufweist, der Koronaeffekte verringert und die Überschlagspannung erhöht. Kapton wird vorgefräst und gebohrt, dann mit einem Acrylkleber auf Ihre Platine gepresst. Sie können Folien zwischen 1-5 mil mit 2-3 kV Bewertungen erhalten, und Sie können mehrere Schichten verwenden.

Ihre Kapton-Schicht muss für das entsprechende Herstellungsverfahren ausgelegt sein, da die Pad-Öffnungen normalerweise gebohrt werden. Das bedeutet, dass die Öffnungen rund sein müssen, mit Größen und Abständen, die die Fertigungstoleranzen berücksichtigen. Es ist möglich, Öffnungen mit anderen Formen mittels CNC-Fräsen herzustellen, aber das ist langsam und kostspielig.

Sie können auch Mylar oder HVPF als Überzüge verwenden, je nachdem, was Ihr Hersteller anbieten kann.

Wenn Sie die Materialien und das Design für Leiterbahnen und Beschichtungen nicht planen, müssen Sie wahrscheinlich das Ganze verwerfen.

Kommunizieren Sie mit Ihrem Hersteller

Fast jeder Aspekt des Schutzes der Oberfläche Ihrer Hochspannungsplatine hängt von den Fertigungsmaterialien oder -toleranzen ab. Stellen Sie sicher, dass Sie all diese Spezifikationen geklärt haben, bevor Sie sich auf Ihr Platinendesign festlegen, sonst müssen Sie eine enorme Menge an Arbeit verwerfen. Wenn Materialien und Abstände nicht klar kommuniziert werden, kann der Hersteller einen billigeren Ansatz verwenden, der nicht robust genug ist, um die hohe Spannung über die Platine zu bewältigen.

Wenn Sie mit Ihrem Hersteller zusammenarbeiten, stellen Sie sicher, dass er in der Lage ist, die Materialien und Fertigungsspezifikationen Ihres Platinendesigns zu verarbeiten. Sie sollten angeben, ob Sie eine Vakuumimprägnierung, Druckhärtung oder zusätzliche Backvorgänge für Ihre Platine und Beschichtungen benötigen. Es ist auch nützlich, deren Qualitätskontrolle und Erfahrung mit Hochspannungsprodukten zu recherchieren. Überprüfen Sie deren Standards für Sauberkeit und Oberflächenvorbereitungen, um Kontaminationen zu verhindern und eine qualitativ hochwertige Haftung vor dem Auftragen von Beschichtungen und Verbindungen zu gewährleisten.

Schließlich stellen Sie sicher, dass Ihr Design die von ihren Fertigungsbeschränkungen vorgegebenen Toleranzen erfüllt. Wenn Sie das nicht tun, werden Sie wahrscheinlich ein Design verwerfen müssen, das anfangs wunderschön war. Obwohl es keine Regelprüfungen für Tortendekorationen gibt, können Sie diese für die Beschichtungen auf Ihrer PCB einrichten. Toleranzen von Ihrem Hersteller können in die Regelprüfung für Ihr Design einbezogen werden. PCB-CAD-Software, wie Altium Designer^®, beinhaltet sogar 3D-Abstandsüberprüfungen, falls Sie enge Anforderungen an die Leiterbahndicke haben. Es ist einfach, anzufangen und Ihre eigenen meisterhaften Kreationen zu produzieren.

Haben Sie eine Frage zu 3D-Design oder Lötstopplack? Kontaktieren Sie einen Experten bei Altium.