Progettazione di un PCB per alta tensione: strati del PCB

Mia sorella decorava torte come progetto 4-H, mentre io allevavo polli e costruivo un computer. Doveva creare almeno sei torte di “qualità da esposizione” all'anno, oltre a tutte le versioni che non uscivano perfette. Si scopre che effettivamente ci si può stancare di mangiare torta, quindi alla fine si utilizzano forme di polistirolo e si decorano quelle. Questo ti dà la possibilità di praticare il design prima di applicarlo su una torta vera. Ottenere il design giusto potrebbe richiedere una dozzina di tentativi, e anche allora, un piccolo errore mentre stai decorando può rovinare tutto.

Per un'analogia gustosa, puoi pensare a un PCB come a una torta. La scheda è la torta, ma hai bisogno di tracce di rame, saldatura e sovraccoperture, come diversi stili di glassa, per unire il tutto. Devi decidere quali materiali utilizzerai per essere sicuro che il tuo design funzioni. E come la glassa, un piccolo errore in qualsiasi fase trasforma un design favoloso in un triste disastro, specialmente quando si lavora con alta tensione.

Progettare schede in rame pesante

Poiché il rame più leggero fallisce a livelli inferiori di stress meccanico e termico, dovresti considerare l'uso di un rame più pesante per le tracce e i pad. Con i progetti di PCB in rame pesante, dovrai utilizzare i strati di laminato più spessi possibili. A differenza della torta, le bolle d'aria nel laminato non sono soffici e piacevoli. In questo contesto, causano il breakdown dielettrico e la diminuzione della tensione nominale della scheda. Puoi minimizzare le lacune d'aria con un buon prepreg, come il 2113 o il 1080, che hanno un alto contenuto di resina e piccole particelle di vetro.

Raramente si desidera mescolare i laminati a rischio di creare incompatibilità di materiali o vuoti durante la fabbricazione, ma occasionalmente può funzionare sostituire uno strato di prepreg con HVPF. Dovresti procedere con cautela, come quando si mescolano strati di torta al cioccolato e di torta di carote.

Pianificazione per le maschere di saldatura

La maschera di saldatura (talvolta chiamata "maschera di stop alla saldatura" o "resistenza alla saldatura") è come la decorazione sulla parte superiore della glassa di base. Viene applicata sopra le considerazioni del PCB in rame pesante sulle tue tracce per prevenire danni da ossidazione, il che è particolarmente importante per i PCB ad alta tensione.

Come la glassa, la maschera di saldatura è molto sensibile alla temperatura. Non si scioglie, ma la valutazione della tensione per una maschera di saldatura diminuisce significativamente all'aumentare della temperatura di esercizio.

Le maschere di saldatura standard non sono coerenti, il che significa che spesso presentano microfori o altre piccole cavità lungo il bordo delle piste dopo che la maschera è stata applicata. È facile che particelle e altri contaminanti rimangano intrappolati in queste regioni della maschera, diminuendo anche la protezione efficace dalla tensione.

Le maschere stop-saldatura sono una buona scelta se si utilizzano tensioni fino a circa 1 kV. Potresti riuscire ad usare una maschera fino a 5 kV, ma non puoi avere pad o tracce troppo vicini da nessuna parte sulla scheda. La valutazione di sovratensione per le maschere di saldatura UV è di circa 500 V/mil con il loro spessore usuale di 0,7-1,5 mil.

Per i circuiti a media tensione, dovresti applicare due o tre volte la maschera di saldatura. Le applicazioni extra significano che avrai bisogno di più spazio libero intorno ai pad e ai fori sulla superficie. Chiedi al tuo produttore all'inizio del processo di progettazione in modo da non perdere molto tempo a riorganizzare il layout in seguito. Dovresti anche chiedere se la maschera può ricevere una cottura aggiuntiva in forno (solo per maschere UV) e/o un "rinforzo" UV (per maschere curate in forno e UV). La cottura extra renderà la maschera più dura e resistente.

Dovresti anche pianificare la superficie della scheda tenendo conto di eventuali bordi fresati. La fresatura può scheggiare la resistenza alla saldatura e introdurre difetti che abbassano la tensione di arco. È come scrivere un messaggio con la glassa, non vuoi che coli fuori dal bordo, quindi hai bisogno di un po' di margine. Anche 0,25 mm sono sufficienti per proteggere la maschera di saldatura dai bordi fresati, ma dovresti aumentare la distanza con rame pesante per schede ad alta tensione. Questo spazio aggiuntivo offre abbastanza margine affinché la maschera di saldatura possa coprire completamente il rame e aumentare il dielettrico efficace.

È possibile applicare una sovrastruttura di maschera di stop alla saldatura posizionando due strati sulla superficie della scheda, come se si stendesse uno strato di briciole di glassa, seguito poi da quello decorativo. È consigliabile applicare i rivestimenti ad angoli ortogonali sulla scheda per minimizzare le dimensioni delle cavità create durante il processo di rivestimento? Questo aiuterà significativamente a ridurre i danni da arco elettrico e corona alla scheda.

La maschera di saldatura è soggetta a scheggiature se viene fresata, quindi si dovrebbe progettare una zona tampone, piuttosto che lasciare che la maschera si estenda oltre i bordi come una glassa.

Utilizzo di Sovrastrutture

Ci sono altre sovrastrutture che puoi utilizzare sulla parte superiore della tua scheda a circuito stampato per proteggere le tracce di rame e aumentare il valore dielettrico sulla superficie della scheda.

La più comune è una sovrastruttura in Kapton, che ha un alto valore dielettrico che riduce gli effetti della corona e aumenta la tensione di sovratensione. Il Kapton viene preforato e fresato, poi premuto sulla tua scheda con una colla acrilica. Puoi ottenere fogli tra 1-5 mil con valutazioni di 2-3 kV, e puoi utilizzare più strati.

Il tuo strato di Kapton deve essere progettato per il metodo di produzione appropriato poiché di solito le aperture dei pad vengono trapanate. Ciò significa che le aperture devono essere rotonde, con dimensioni e spaziature che tengono conto delle tolleranze di produzione. È possibile fresare CNC aperture di altre forme, ma è lento e costoso.

Puoi anche utilizzare Mylar o HVPF come sovraccoperture, a seconda di ciò che il tuo produttore può fornire.

Se non pianifichi i materiali e il design per tracce e rivestimenti, probabilmente dovrai scartare tutto.

Comunica con il tuo produttore

Quasi ogni aspetto della protezione della superficie della tua scheda ad alta tensione dipende dai materiali di produzione o dalle tolleranze. Assicurati di aver chiarito tutti questi dettagli prima di impegnarti nel design della tua scheda, altrimenti finirai per scartare un'enorme quantità di lavoro. Se materiali e spaziature non sono chiaramente comunicati, il produttore potrebbe utilizzare un approccio più economico che non è abbastanza robusto per gestire l'alta tensione attraverso la scheda.

Mentre lavori con il tuo produttore, assicurati che abbia la capacità di gestire i materiali e le specifiche di produzione del tuo design di scheda. Dovresti specificare se avrai bisogno di impregnazione sotto vuoto, indurimento sotto pressione o ulteriori cotture della tua scheda e dei rivestimenti. È utile anche ricercare il loro controllo di qualità e la storia dei prodotti ad alta tensione. Verifica i loro standard per la pulizia e la preparazione delle superfici per prevenire contaminazioni e garantire un'adesione di qualità prima che vengano applicati rivestimenti e incollaggi.

Infine, assicurati che il tuo design rispetti le tolleranze specificate dai loro vincoli di produzione. Se non lo fai, è probabile che finirai per scartare un design che era iniziato magnificamente. Anche se non ci sono controlli per le regole di decorazione di torte, puoi impostarli per i rivestimenti sulla tua PCB. Le tolleranze del tuo produttore possono essere incluse nel controllo delle regole per il tuo design. Il software CAD per PCB, come Altium Designer^®, include anche controlli dello spazio 3D nel caso in cui tu abbia requisiti stretti riguardo allo spessore delle piste. È facile iniziare e produrre i tuoi capolavori di qualità da esposizione.

Hai una domanda sul design 3D o sui resist di saldatura? Contatta un esperto di Altium.