Courant de fuite et claquage dans la conception de haute tension des PCB

La loi d'Ohm : c'est un outil merveilleux que nous avons pour analyser tous types de circuits. Cette simple relation s'applique à tant de dispositifs qu'il est assez facile d'expliquer de nombreux aspects du comportement des composants avec cette unique équation. Cependant, avec les PCB haute tension, nous devons utiliser d'autres outils en plus de la loi d'Ohm pour comprendre certains aspects importants du comportement du circuit. Introduisez la loi de Paschen et les lois de Kirchoff, et vous avez tout ce dont vous avez besoin pour comprendre les principes de fonctionnement des PCB haute tension.

Un effet important qui se produit à haute tension est le courant de fuite du PCB. Cet effet est expliqué assez simplement en utilisant la loi d'Ohm : s'il y a une différence de potentiel entre deux points de votre carte, le courant entre ces deux points sera plus faible lorsque la résistance est plus élevée. Lorsque votre PCB est mis en fonctionnement, le courant de fuite peut changer pour plusieurs raisons. Votre travail en tant que concepteur est d'anticiper ces problèmes et de choisir des matériaux appropriés pour minimiser le courant de fuite.

Qu'est-ce que le courant de fuite du PCB ?

Dans le monde de la conception de haute tension, que nous parlions de PCB en général ou de la conception de systèmes à haute tension, le courant de fuite résulte d'une différence de potentiel en courant continu entre deux points. Sur un PCB, deux conducteurs avec une différence de potentiel sont séparés par un substrat isolant, et un certain courant peut s'écouler à travers le substrat entre ces deux conducteurs. Une différence de potentiel de ~10 V est suffisante pour produire ~10 nA de courant de fuite, en fonction de la conductivité du substrat.

La porosité des substrats en tissu de fibres et des matériaux de masque de soudure les amène à absorber l'eau pendant la fabrication, et cette absorption d'eau continue au fil du temps pendant le fonctionnement. L'humidité peut être présente dans le matériau de préimprégné en verre époxy et dans toutes les microfissures du substrat avant la fabrication. L'eau et d'autres liquides peuvent être absorbés pendant les processus de fabrication humides, et l'humidité peut diffuser à la surface du PCB pendant le stockage.

Un PCB déployé dans un environnement à haute humidité absorbera l'eau jusqu'à ce que le contenu en humidité soit saturé. Les substrats de PCB avec un contenu en humidité plus élevé auront un courant de fuite plus important car l'eau et les autres liquides utilisés pendant les processus de fabrication des PCB sont polaires, donc ils ont tendance à avoir une haute conductivité. Avec le temps, le courant de fuite du PCB à travers la carte augmentera, même si la carte est préparée dans un environnement sans humidité et fortement dégazée avant le déploiement. En plus de l'humidité, de petites particules de poussière peuvent s'accumuler sur la carte, et la poussière s'accumulera plus rapidement dans les zones où le champ électrique est plus grand. L'humidité et la poussière contribuent toutes deux à l'augmentation du courant de fuite du PCB au fil du temps. L'accumulation d'humidité et de poussière rend également la surface plus susceptible aux arcs électriques, c'est-à-dire que le champ de rupture est plus faible à travers la surface de la carte.

La poussière peut conduire à une augmentation du courant de fuite du PCB

Un courant de fuite important entre les nœuds d'un composant à entrée haute impédance peut entraîner une chute assez importante de la tension d'entrée vue par le composant, similaire à une chute IR. Par exemple, considérons un courant de fuite sur un PCB de 100 nA détourné à travers les bornes positive et négative d'un composant avec une impédance d'entrée de 1 MOhm—selon la loi d'Ohm, cela diminuera la tension d'entrée de 0,1 V. Ceci doit être pris en compte en parallèle du courant de fuite du PCB lors de la détermination des critères de défaillance pour votre carte haute tension.

Distance de fuite, d'isolement et Courant de Fuite

Le courant de fuite peut déjà se produire à travers un substrat isolant simplement en raison d'une différence de tension continue, mais le courant de fuite augmente également après une première panne entre deux conducteurs chargés. Dans le cas où une panne entre deux conducteurs se produit, du carbone peut s'accumuler le long de la surface du PCB. La piste qui se forme le long d'une surface carbonisée est plutôt conductrice, ce qui augmente le courant de fuite entre deux points sur la carte avec une grande différence de potentiel. Une carbonisation extrêmement sérieuse, telle qu'une panne dans une atmosphère riche en carbone ou des événements de panne répétés, peut effectivement former un court-circuit entre deux points sur la carte.

IPC 2221B est la norme générale qui couvre les distances de fuite et d'isolement en fonction de la tension, du niveau d'élévation et du revêtement. Bien que cette norme spécifie ces distances en fonction de l'élévation, le véritable paramètre qui détermine le champ de claquage est la pression atmosphérique pour l'air entre les conducteurs (selon la loi de Paschen). Le contenu en humidité de l'air affectera également le champ de claquage ainsi que le potentiel d'augmentation du courant de fuite avec le temps. Ces facteurs affectent également les exigences de fuite et d'isolement ; les systèmes à haute tension devraient généralement être surdimensionnés pour des raisons de sécurité et pour réduire le courant de fuite.

Si votre carte doit être déployée dans un environnement humide, il est presque inutile de retirer toute l'humidité de votre carte finie car elle sera simplement réabsorbée par la carte une fois mise en fonctionnement. Il existe certaines peintures de protection conformes contre l'humidité qui sont conçues pour les PCB à haute tension.

Pour les cartes ayant des problèmes de poussière ou avec des résidus restants, une simple procédure de lavage suffit pour éliminer les contaminants de votre PCB. Cela implique de brosser les cartes avec de l'alcool isopropylique, suivi d'un rinçage à l'eau déionisée et de cuire la carte à 85 °C pendant quelques heures. Vous devriez tout de même faire attention lorsque vous utilisez des solvants sur des cartes avec des flux solubles dans l'eau ; mélanger ces matériaux peut laisser des dépôts de sel après que la carte soit séchée et cuite.

Vous ne devriez pas nettoyer vos PCBs haute tension de cette manière...

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