Conception d'un PCB pour haute tension : Couches du PCB

Ma sœur avait l'habitude de décorer des gâteaux comme un projet 4-H, tandis que moi, je présentais des poulets et construisais un ordinateur. Elle devait créer au moins six gâteaux de « qualité exposition » par an, en plus de toutes les versions qui ne sortaient pas parfaites. Il s'avère qu'on peut réellement se lasser de manger du gâteau, donc finalement, vous finissez juste par utiliser des formes en styromousse et les décorer. Cela vous donne une chance de pratiquer le design avant de l'appliquer réellement sur un vrai gâteau. Obtenir le bon design peut prendre une douzaine d'essais, et même à ce moment-là, une petite erreur pendant que vous décorez peut ruiner l'ensemble.

Pour une analogie savoureuse, vous pouvez penser à un PCB comme à un gâteau. La carte est le gâteau, mais vous avez besoin de pistes de cuivre, de soudure et de surcouches, comme différents styles de glaçage, pour tout assembler. Vous devez décider quels matériaux vous allez utiliser afin de pouvoir être sûr que votre conception fonctionnera. Et comme le glaçage, une petite erreur à n'importe quelle étape transforme un design fabuleux en un triste désordre, surtout lorsque vous travaillez avec de haute tension.

Concevoir des cartes à fort cuivre

Étant donné que le cuivre plus léger échoue sous des contraintes mécaniques et thermiques plus faibles, vous devriez envisager un cuivre plus lourd pour les pistes et les pastilles. Avec des conceptions de PCB en cuivre lourd, vous aurez besoin d'utiliser les couches de stratifié les plus épaisses possibles. Contrairement à un gâteau, les bulles d'air dans le stratifié ne sont pas moelleuses et agréables. Dans ce contexte, elles provoquent la rupture diélectrique, et la tension nominale, de la carte à diminuer. Vous pouvez minimiser les espaces d'air avec un bon pré-imprégné, comme le 2113 ou le 1080, qui ont un contenu élevé en résine et de petites particules de verre.

Vous voulez rarement mélanger les stratifiés au risque de créer des incompatibilités de matériaux ou des vides pendant la fabrication, mais cela peut parfois fonctionner pour remplacer une couche de pré-imprégné par du HVPF. Vous devriez procéder avec prudence, comme en mélangeant des couches de gâteau au chocolat et de gâteau à la carotte.

Planification pour les masques de soudure

Le masque de soudure (parfois appelé "masque d'arrêt de soudure" ou "résist de soudure") est comme la décoration sur le glaçage de base. Il est appliqué sur les considérations de PCB en cuivre lourd de vos pistes pour prévenir les dommages par oxydation, ce qui est particulièrement important pour les PCB à haute tension.

Comme le glaçage, le masque de soudure est très sensible à la température. Il ne fond pas, mais la tension nominale d'un masque de soudure diminue significativement à mesure que la température de fonctionnement augmente.

Les résistances standard au soudage ne sont pas cohérentes, ce qui signifie qu'elles ont souvent des trous d'épingle, ou d'autres petits vides le long du bord des pistes après l'application du masque. Il est facile pour les particules et autres contaminants de se coincer dans ces régions du masque, et également de diminuer la protection effective contre la tension.

Les masques stop-soudure sont un bon choix si vous utilisez uniquement une tension jusqu'à environ 1 kV. Vous pourriez vous en sortir avec un masque jusqu'à 5 kV, mais vous ne pouvez pas avoir de pads ou de traces espacés de manière rapprochée nulle part sur le circuit. La note de surtension pour les masques de soudure UV est d'environ 500 V/mil avec leur épaisseur habituelle de 0,7 à 1,5 mil.

Pour les circuits de moyenne tension, vous devriez appliquer deux ou trois couches de masque à souder. Les applications supplémentaires signifieront que vous aurez besoin de plus d'espace libre autour des pastilles et des trous sur la surface. Demandez à votre fabricant dès le début du processus de conception pour ne pas perdre beaucoup de temps à réarranger la disposition plus tard. Vous devriez également demander si le masque peut bénéficier d'un traitement supplémentaire au four (uniquement pour les masques UV) et/ou d'un "bump" UV (pour les masques UV et ceux durcis au four). Le durcissement supplémentaire rendra le masque plus dur et plus résistant.

Vous devriez également planifier la surface de la carte pour tenir compte des bords usinés. L'usinage peut écailler la résistance à la soudure et introduire des défauts qui diminuent la tension d'arc global. Pensez-y comme à écrire un message avec du glaçage, vous ne voulez pas qu'il déborde, donc vous avez besoin d'un peu de marge. Même 0,25 mm suffit pour aider à protéger le masque à souder des bords usinés, mais vous devriez augmenter la distance avec du cuivre épais pour les cartes haute tension. Cet espace supplémentaire donne assez de place pour que le masque à souder couvre complètement le cuivre et augmente la diélectrique effective.

Vous pouvez recouvrir le masque de soudure en appliquant deux couches sur la surface du circuit imprimé, comme si vous mettiez une couche de base de glaçage, puis la couche décorative. Faites en sorte que les revêtements soient appliqués à des angles orthogonaux sur le circuit pour minimiser la taille des vides créés pendant le processus de revêtement. Cela aidera considérablement à réduire les dommages causés par l'arc électrique et la couronne au circuit.

Le masque de soudure risque de s'écailler s'il est usiné, vous devriez donc concevoir une zone tampon, plutôt que de laisser le masque déborder sur les bords comme un glaçage.

Utilisation de surcouches

Il existe d'autres surcouches que vous pouvez utiliser sur le dessus de votre circuit imprimé pour protéger les pistes de cuivre et augmenter la valeur diélectrique sur la surface du circuit.

La plus courante est une surcouche en Kapton, qui possède une haute valeur diélectrique diminuant les effets de couronne et augmentant la tension d'arc. Le Kapton est pré-découpé et percé, puis pressé sur votre circuit avec une colle acrylique. Vous pouvez obtenir des feuilles entre 1-5 mil avec des évaluations de 2-3 kV, et vous pouvez utiliser plusieurs couches.

Votre couche de Kapton doit être conçue pour la méthode de fabrication appropriée puisque les ouvertures des pads sont généralement percées. Cela signifie que les ouvertures doivent être rondes, avec des dimensions et des espacements qui prennent en compte les tolérances de fabrication. Il est possible de fraiser des ouvertures d'autres formes avec une CNC, mais c'est lent et coûteux.

Vous pouvez également utiliser du Mylar ou du HVPF comme surcouches, en fonction de ce que votre fabricant peut fournir.

Si vous ne planifiez pas les matériaux et la conception pour les pistes et les revêtements, vous aurez probablement à jeter l'ensemble.

Communiquez avec votre fabricant

Presque chaque aspect de la protection de la surface de votre carte à haute tension dépend des matériaux de fabrication ou des tolérances. Assurez-vous d'avoir clarifié toutes ces spécificités avant de vous engager dans la conception de votre carte, ou vous finirez par jeter une quantité énorme de travail. Si les matériaux et les espacements ne sont pas clairement communiqués, le fabricant peut utiliser une approche moins coûteuse qui n'est pas assez robuste pour gérer la haute tension à travers la carte.

Lorsque vous travaillez avec votre fabricant, assurez-vous qu'il a la capacité de gérer les matériaux et les spécifications de fabrication de votre conception de carte. Vous devriez préciser si vous aurez besoin d'une imprégnation sous vide, d'un durcissement sous pression ou de cuissons supplémentaires de votre carte et de ses revêtements. Il est également utile de rechercher leur contrôle de qualité et leur historique de produits à haute tension. Vérifiez leurs normes de propreté et de préparations de surface pour éviter la contamination et garantir une adhésion de qualité avant l'application des revêtements et du collage.

Enfin, assurez-vous que votre conception respecte les tolérances spécifiées par les contraintes de fabrication. Si ce n'est pas le cas, vous risquez de devoir jeter une conception qui avait bien commencé. Bien qu'il n'y ait pas de vérifications de règles de décoration de gâteaux, vous pouvez les établir pour les revêtements sur votre PCB. Les tolérances de votre fabricant peuvent être incluses dans la vérification des règles pour votre conception. Les logiciels de CAO pour PCB, comme Altium Designer^®, incluent même des vérifications d'espacement en 3D au cas où vous auriez des exigences strictes concernant l'épaisseur des pistes. Il est facile de commencer et de produire vos propres chefs-d'œuvre de qualité professionnelle.

Vous avez une question sur la conception 3D ou les résistances à la soudure ? Contactez un expert chez Altium.