Leckstrom und Durchschlag bei Hochspannungsdesigns auf Leiterplatten

Ohmsches Gesetz: Es ist ein wunderbares Werkzeug, das wir zur Analyse aller Arten von Schaltkreisen haben. Diese einfache Beziehung lässt sich auf so viele Geräte anwenden, dass es ziemlich einfach ist, viele Aspekte des Verhaltens von Komponenten mit dieser einzigen Gleichung zu erklären. Bei Hochspannungs-PCBs müssen wir jedoch zusätzlich zum ohmschen Gesetz andere Werkzeuge verwenden, um einige wichtige Aspekte des Schaltkreisverhaltens zu verstehen. Führen Sie Paschens Gesetz und Kirchhoffs Gesetze ein, und Sie haben alles, was Sie benötigen, um die Betriebsprinzipien von Hochspannungs-PCBs zu verstehen.

Ein wichtiger Effekt, der bei hoher Spannung auftritt, ist der Leckstrom des PCBs. Dieser Effekt wird mit dem ohmschen Gesetz ganz einfach erklärt: Wenn zwischen zwei Punkten auf Ihrer Platine eine Potentialdifferenz besteht, wird der Strom zwischen diesen beiden Punkten geringer sein, wenn der Widerstand höher ist. Sobald Ihr PCB in Betrieb genommen wird, kann sich der Leckstrom aus verschiedenen Gründen ändern. Ihre Aufgabe als Designer ist es, diese Probleme zu antizipieren und geeignete Materialien auszuwählen, um den Leckstrom zu minimieren.

Was ist PCB-Leckstrom?

Im Bereich des Hochspannungsdesigns, egal ob es allgemein um Leiterplatten oder um das Design von Hochspannungssystemen geht, resultiert der Leckstrom aus einer Gleichspannungsdifferenz zwischen zwei Punkten. Auf einer Leiterplatte sind zwei Leiter mit einer Potentialdifferenz durch ein isolierendes Substrat voneinander getrennt, und ein gewisser Strom kann durch das Substrat zwischen diesen beiden Leitern fließen. Eine Potentialdifferenz von ~10 V ist ausreichend, um ~10 nA Leckstrom zu erzeugen, abhängig von der Leitfähigkeit des Substrats.

Die Porosität von Fasergewebe-Substraten und Lötmaskenmaterialien führt dazu, dass sie während der Fertigung Wasser aufnehmen, und diese Wasseraufnahme setzt sich im Laufe der Zeit während des Betriebs fort. Feuchtigkeit kann im Epoxy-Glas-Prepreg-Material und in eventuellen Mikrorissen im Substrat vor der Fertigung vorhanden sein. Wasser und andere Flüssigkeiten können während der nassen Fertigungsprozesse absorbiert werden, und Feuchtigkeit kann während der Lagerung in die Oberfläche der Leiterplatte diffundieren.

Eine in einer feuchten Umgebung eingesetzte Leiterplatte wird Wasser aufnehmen, bis der Feuchtigkeitsgehalt gesättigt ist. Leiterplattensubstrate mit höherem Feuchtigkeitsgehalt haben einen höheren Leckstrom, da Wasser und andere Flüssigkeiten, die während der Herstellungsprozesse von Leiterplatten verwendet werden, polar sind und daher tendenziell eine hohe Leitfähigkeit aufweisen. Mit der Zeit wird der Leckstrom der Leiterplatte über das gesamte Board hinweg zunehmen, selbst wenn das Board in einer feuchtigkeitsfreien Umgebung vorbereitet und vor dem Einsatz stark entgast wurde. Zusätzlich zur Feuchtigkeit können sich kleine Staubpartikel auf der Platine ansammeln, und Staub sammelt sich schneller in Bereichen an, in denen das elektrische Feld größer ist. Feuchtigkeit und Staub tragen beide im Laufe der Zeit zu einem Anstieg des Leckstroms der Leiterplatte bei. Feuchtigkeit und Staubansammlungen machen die Oberfläche auch anfälliger für Lichtbögen, d.h., das Durchschlagsfeld ist niedriger über die Oberfläche des Boards.

Staub kann zu einem erhöhten Leckstrom der Leiterplatte führen

Ein großer Leckstrom zwischen den Knoten einer Komponente mit hochohmigem Eingang kann zu einem ziemlich großen Abfall der Eingangsspannung führen, die die Komponente sieht, ähnlich dem IR-Abfall. Als Beispiel betrachten Sie einen PCB-Leckstrom von 100 nA, der über die positiven und negativen Anschlüsse einer Komponente mit 1 MOhm Eingangsimpedanz umgeleitet wird - nach dem Ohmschen Gesetz wird dies die Eingangsspannung um 0,1 V verringern. Dies sollte zusammen mit dem PCB-Leckstrom berücksichtigt werden, wenn die Ausfallkriterien für Ihre Hochspannungsplatine bestimmt werden.

Kriechstrecke, Luftstrecke und Leckstrom

Leckstrom kann bereits über ein isolierendes Substrat einfach aufgrund eines Gleichspannungsunterschieds auftreten, aber der Leckstrom nimmt auch nach einem anfänglichen Durchbruch zwischen zwei geladenen Leitern zu. Für den Fall, dass ein Durchbruch zwischen zwei Leitern auftritt, kann sich Kohlenstoff entlang der Oberfläche des PCBs ansammeln. Die Spur, die sich entlang einer karbonisierten Oberfläche bildet, ist ziemlich leitfähig, was den Leckstrom zwischen zwei Punkten auf der Platine mit einem hohen Potentialunterschied erhöht. Extrem ernsthafte Karbonisierung, wie ein Durchbruch in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre oder wiederholte Durchbruchsereignisse, kann effektiv einen Kurzschluss zwischen zwei Punkten auf der Platine bilden.

IPC 2221B ist die allgemeine Norm, die Kriechstrecken und Luftstrecken als Funktion der Spannung, Höhenlage und Beschichtung abdeckt. Obwohl diese Norm diese Abstände als Funktion der Höhenlage spezifiziert, ist der tatsächliche Parameter, der das Durchschlagsfeld bestimmt, der atmosphärische Druck für Luft zwischen Leitern (nach Paschens Gesetz). Der Feuchtigkeitsgehalt in der Luft wird ebenfalls das Durchschlagsfeld beeinflussen sowie das Potenzial für einen Anstieg des Leckstroms über die Zeit. Diese Faktoren beeinflussen auch die Anforderungen an Kriechstrecken und Luftstrecken; Hochspannungssysteme sollten im Allgemeinen aus Sicherheitsgründen und zur Reduzierung des Leckstroms überdimensioniert werden.

Wenn Ihre Platine in einer feuchten Umgebung eingesetzt wird, hat es fast keinen Sinn, jegliche Feuchtigkeit von Ihrer fertigen Platine zu entfernen, da sie einfach wieder in die Platine aufgenommen wird, sobald sie in Betrieb genommen wird. Es gibt einige isolierende konforme Beschichtungen zum Schutz vor Feuchtigkeit, die für Hochspannungs-PCBs entwickelt wurden.

Für Platinen mit Staubproblemen oder mit verbleibenden Rückständen ist ein einfaches Waschverfahren ausreichend, um Verunreinigungen von Ihrer PCB zu entfernen. Dies beinhaltet das Bürsten der Platinen mit Isopropylalkohol, gefolgt von einem Spülen mit deionisiertem Wasser und dem Backen der Platine bei 85 °C für einige Stunden. Sie sollten dennoch vorsichtig sein, wenn Sie Lösungsmittel auf Platinen mit wasserlöslichen Flüssen verwenden; das Mischen dieser Materialien kann nach dem Trocknen und Backen der Platine Salzablagerungen hinterlassen.

Sie sollten Ihre Hochspannungs-PCBs nicht auf diese Weise reinigen...

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