Diseño de un PCB para alta tensión: Capas del PCB

Mi hermana solía decorar pasteles como un proyecto de 4-H, mientras que yo mostraba pollos y construía una computadora. Ella tenía que crear al menos seis pasteles de "calidad de exhibición" al año, además de todas las versiones que no salían perfectas. Resulta que realmente puedes cansarte de comer pastel, así que eventualmente solo obtienes formas de estireno y decoras esas. Te da la oportunidad de practicar el diseño antes de realmente ponerlo en un pastel real. Conseguir el diseño correcto podría tomar una docena de intentos, y aun así, un pequeño error mientras estás decorando puede arruinar todo el asunto.

Para una analogía sabrosa, puedes pensar en un PCB como un pastel. La placa es el pastel, pero necesitas trazas de cobre, soldadura y recubrimientos, como diferentes estilos de glaseado, para unirlo todo. Necesitas decidir qué materiales vas a usar para poder estar seguro de que tu diseño funcionará. Y como el glaseado, un pequeño error en cualquier etapa convierte un diseño fabuloso en un triste desastre, especialmente cuando estás trabajando con alta tensión.

Diseñando placas de cobre pesado

Debido a que el cobre más ligero falla ante esfuerzos mecánicos y térmicos menores, deberías considerar un cobre más pesado para las pistas y almohadillas. Con diseños de PCB de cobre pesado, necesitarás usar las capas de laminado más gruesas que puedas. A diferencia de en un pastel, las burbujas de aire en el laminado no son esponjosas y agradables. En este contexto, causan la ruptura dieléctrica, y la calificación de voltaje, de la placa disminuye. Puedes minimizar los espacios de aire con un buen prepreg, como 2113 o 1080, que tienen un alto contenido de resina y partículas de vidrio pequeñas.

Raramente querrás mezclar laminados por el riesgo de crear incompatibilidades de materiales o vacíos durante la fabricación, pero ocasionalmente puede funcionar reemplazar una capa de prepreg con HVPF. Debes proceder con precaución, como mezclando capas de pastel de chocolate y zanahoria.

Planificación para máscaras de soldadura

La máscara de soldadura (a veces llamada "máscara de parada de soldadura" o "resistente a la soldadura") es como la decoración encima del glaseado base. Se aplica sobre las consideraciones de PCB de cobre pesado en tus pistas para prevenir daños por oxidación, lo cual es especialmente importante para PCBs de alto voltaje.

Como el glaseado, la máscara de soldadura es muy sensible a la temperatura. No se derrite, pero la calificación de voltaje para una máscara de soldadura disminuye significativamente a medida que aumenta la temperatura de operación.

Las resistencias de soldadura estándar no son coherentes, lo que significa que frecuentemente tienen poros o pequeñas cavidades a lo largo del borde de las pistas después de que se aplica la máscara. Es fácil que partículas y otros contaminantes queden atrapados en estas regiones de la máscara, y también disminuyan la protección efectiva contra el voltaje.

Las máscaras de parada de soldadura son una buena opción si solo vas a usar voltajes de hasta aproximadamente 1 kV. Podrías arreglártelas usando una máscara de hasta 5 kV, pero no puedes tener almohadillas o pistas espaciadas estrechamente en ninguna parte de la placa. La calificación de sobretensión para máscaras de soldadura UV es de aproximadamente 500 V/mil con su grosor habitual de 0.7-1.5 mil.

Para circuitos de media tensión, deberías aplicar dos o tres veces la máscara de soldadura. Las aplicaciones adicionales significarán que necesitarás más espacio libre alrededor de las almohadillas y los agujeros en la superficie. Pregunta a tu fabricante al inicio del proceso de diseño para no perder mucho tiempo reorganizando el diseño más tarde. También deberías preguntar si la máscara puede recibir un curado adicional en horno (solo para máscaras UV) y/o un "empuje" UV (para máscaras curadas en horno y UV). El curado extra hará que la máscara sea más dura y fuerte.

También deberías planificar la superficie de la placa para tener en cuenta cualquier borde fresado. El fresado puede astillar la resistencia de soldadura e introducir defectos que disminuyen el voltaje de arco. Piénsalo como escribir un mensaje en glaseado, no quieres que se salga por el borde, así que necesitas un poco de margen. Incluso 0.25 mm es suficiente para ayudar a proteger la máscara de soldadura de los bordes fresados, pero deberías aumentar la distancia con cobre pesado para placas de alta tensión. Ese espacio adicional da suficiente lugar para que la máscara de soldadura cubra completamente el cobre y aumenta el dieléctrico efectivo.

Puede aplicar una capa de máscara de parada de soldadura poniendo dos capas sobre la superficie de la placa, como si pusiera una capa base de glaseado y luego la decorativa. ¿Se han aplicado las capas en ángulos ortogonales a través de la placa para minimizar el tamaño de los vacíos creados durante el proceso de recubrimiento? Esto ayudará significativamente a disminuir el arqueo y los daños por corona en la placa.

Es probable que la máscara de soldadura se desprenda si se rutea, por lo que debería diseñar una zona de amortiguamiento, en lugar de permitir que la máscara fluya sobre los bordes como el glaseado.

Usando Recubrimientos

Hay otros recubrimientos que puede usar en la parte superior de su placa de circuito impreso para proteger las pistas de cobre e incrementar el valor dieléctrico sobre la superficie de la placa.

El más común es un recubrimiento de Kapton, que tiene un alto valor dieléctrico que disminuye los efectos de corona e incrementa el voltaje de arco. El Kapton se pre-rutea y perfora, luego se presiona sobre su placa con un pegamento acrílico. Puede obtener hojas entre 1-5 mil con calificaciones de 2-3 kV, y puede usar múltiples capas.

Su capa de Kapton necesita ser diseñada para el método de fabricación apropiado ya que las aberturas de los pads suelen ser perforadas. Eso significa que las aberturas necesitan ser redondas, con un dimensionamiento y espaciado que tenga en cuenta las tolerancias de fabricación. Es posible fresar aberturas de otras formas con CNC, pero es lento y costoso.

También puede usar Mylar o HVPF como recubrimientos superiores, dependiendo de lo que su fabricante pueda proporcionar.

Si no planifica los materiales y el diseño para las pistas y recubrimientos, probablemente tenga que desechar todo.

Comuníquese con su fabricante

Casi cada aspecto de la protección de la superficie de su placa de alto voltaje depende de los materiales de fabricación o las tolerancias. Asegúrese de haber aclarado todas esas especificaciones antes de comprometerse con el diseño de su placa, o terminará desechando una cantidad tremenda de trabajo. Si los materiales y espaciados no se comunican claramente, el fabricante puede usar un enfoque más barato que no sea lo suficientemente robusto para manejar el alto voltaje a través de la placa.

Al trabajar con su fabricante, asegúrese de que tengan la capacidad para manejar los materiales y especificaciones de fabricación de su diseño de placa. Debe especificar si necesitará impregnación al vacío, curado a presión o horneadas adicionales de su placa y recubrimientos. También es útil investigar su control de calidad y el historial de productos de alta tensión. Verifique sus estándares de limpieza y preparaciones superficiales para prevenir contaminación y asegurar una adhesión de calidad antes de que se apliquen los recubrimientos y el enlace.

Finalmente, asegúrese de que su diseño cumpla con las tolerancias especificadas por las restricciones de fabricación. Si no lo hace, probablemente terminará descartando un diseño que comenzó siendo hermoso. Aunque no hay verificaciones de reglas de decoración de pasteles, puede establecerlas para los recubrimientos en su PCB. Las tolerancias de su fabricante pueden incluirse en la verificación de reglas para su diseño.El software de CAD para PCB, como Altium Designer^®, incluso incluye verificaciones de espaciado en 3D en caso de que tenga requisitos estrictos en cuanto al grosor de las pistas. Es fácil comenzar y empezar a producir sus propias obras maestras de calidad de exhibición.

¿Tiene alguna pregunta sobre el diseño 3D o las resistencias de soldadura? Contacte a un experto en Altium.