Corrente di dispersione e guasto nella progettazione ad alta tensione delle PCB

La legge di Ohm: è uno strumento meraviglioso che abbiamo per analizzare tutti i tipi di circuiti. Questa semplice relazione si applica a così tanti dispositivi che è abbastanza facile spiegare molti aspetti del comportamento dei componenti con questa singola equazione. Con i PCB ad alta tensione, tuttavia, dobbiamo usare altri strumenti in aggiunta alla legge di Ohm per comprendere alcuni aspetti importanti del comportamento del circuito. Introducendo la legge di Paschen e le leggi di Kirchoff, avete tutto ciò che vi serve per capire i principi di funzionamento dei PCB ad alta tensione.

Un effetto importante che si verifica ad alta tensione è la corrente di perdita del PCB. Questo effetto è spiegato abbastanza semplicemente usando la legge di Ohm: se c'è una differenza di potenziale tra due punti sulla vostra scheda, la corrente tra questi due punti sarà minore quando la resistenza è maggiore. Man mano che il vostro PCB viene messo in funzione, la corrente di perdita può cambiare per una serie di motivi. Il vostro compito come progettista è anticipare questi problemi e scegliere materiali appropriati per minimizzare la corrente di perdita.

Che cos'è la Corrente di Perdita del PCB?

Nel mondo della progettazione ad alta tensione, sia che si parli in generale di PCB o di progettazione di sistemi ad alta tensione, la corrente di dispersione deriva da una differenza di potenziale in corrente continua tra due punti. Su un PCB, due conduttori con una differenza di potenziale sono separati da un substrato isolante, e una certa corrente può fluire attraverso il substrato tra questi due conduttori. Una differenza di potenziale di ~10 V è sufficiente per produrre ~10 nA di corrente di dispersione, a seconda della conducibilità del substrato.

La porosità dei substrati in tessuto di fibra e dei materiali per maschere di saldatura li porta ad assorbire acqua durante la fabbricazione, e questo assorbimento di acqua continua nel tempo durante il funzionamento. L'umidità può essere presente nel materiale prepreg di vetro epossidico e in eventuali micro-crepe nel substrato prima della fabbricazione. L'acqua e altri liquidi possono essere assorbiti durante i processi di fabbricazione umidi, e l'umidità può diffondersi nella superficie del PCB durante la conservazione.

Una PCB dispiegata in un ambiente ad alta umidità assorbirà acqua fino a quando il contenuto di umidità non sarà saturo. I substrati delle PCB con un contenuto di umidità più elevato avranno una corrente di perdita maggiore poiché l'acqua e altri liquidi utilizzati durante i processi di fabbricazione delle PCB sono polari, quindi tendono ad avere un'elevata conducibilità. Col tempo, la corrente di perdita della PCB attraverso la scheda aumenterà, anche se la scheda è preparata in un ambiente privo di umidità e fortemente degasata prima del dispiegamento. Oltre all'umidità, piccole particelle di polvere possono accumularsi sulla scheda, e la polvere si accumulerà più velocemente nelle aree dove il campo elettrico è maggiore. Umidità e polvere contribuiscono entrambi all'aumento della corrente di perdita della PCB nel tempo. L'accumulo di umidità e polvere rende anche la superficie più suscettibile all'arco elettrico, ovvero il campo di rottura è più basso sulla superficie della scheda.

La polvere può portare ad un aumento della corrente di perdita della PCB

Una corrente di dispersione elevata tra i nodi di un componente con ingresso ad alta impedenza può portare a una caduta piuttosto grande della tensione di ingresso vista dal componente, simile alla caduta IR. Come esempio, consideriamo una corrente di dispersione su un PCB di 100 nA deviata attraverso i conduttori positivo e negativo di un componente con un'impedenza di ingresso di 1 MOhm: secondo la legge di Ohm, ciò diminuirà la tensione di ingresso di 0,1 V. Questo dovrebbe essere considerato insieme alla corrente di dispersione del PCB quando si determinano i criteri di fallimento per la tua scheda ad alta tensione.

Scarico superficiale, Distanza di isolamento e Corrente di dispersione

La corrente di dispersione può già verificarsi attraverso un substrato isolante semplicemente a causa di una differenza di tensione DC, ma la corrente di dispersione aumenta anche dopo un'iniziale rottura tra due conduttori carichi. Nel caso in cui si verifichi una rottura tra due conduttori, il carbonio può accumularsi lungo la superficie del PCB. La traccia che si forma lungo una superficie carbonizzata è piuttosto conduttiva, il che aumenta la corrente di dispersione tra due punti sulla scheda con una grande differenza di potenziale. Una carbonizzazione estremamente grave, come una rottura in un'atmosfera ricca di carbonio o eventi ripetuti di rottura, può effettivamente formare un cortocircuito tra due punti sulla scheda.IPC 2221B è lo standard generale che copre le distanze di creepage e clearance come funzione della tensione, del livello di elevazione e della copertura. Sebbene questo standard specifichi queste distanze come funzione dell'elevazione, il vero parametro che determina il campo di rottura è la pressione atmosferica per l'aria tra i conduttori (secondo la legge di Paschen). Anche il contenuto di umidità nell'aria influenzerà il campo di rottura così come la potenziale crescita della corrente di dispersione nel tempo. Questi fattori influenzano anche i requisiti di creepage e clearance; i sistemi ad alta tensione dovrebbero generalmente essere sovradimensionati per motivi di sicurezza e per ridurre la corrente di dispersione.

Se la tua scheda verrà impiegata in un ambiente umido, non ha quasi senso rimuovere l'umidità dalla tua scheda finita poiché verrà semplicemente riassorbita nella scheda una volta messa in funzione. Esistono alcuni rivestimenti conformali isolanti per la protezione dall'umidità che sono progettati per PCB ad alta tensione.

Per le schede con problemi di polvere o con residui residui, una semplice procedura di lavaggio è sufficiente per rimuovere i contaminanti dalla vostra PCB. Questo comporta lo spazzolamento delle schede con alcol isopropilico, seguito dal risciacquo con acqua deionizzata e dalla cottura della scheda a 85 °C per alcune ore. Dovreste comunque fare attenzione quando usate solventi su schede con flussanti solubili in acqua; la miscelazione di questi materiali può lasciare depositi di sale dopo che la scheda è stata asciugata e cotta.

Non dovreste pulire le vostre PCB ad alta tensione in questo modo...

Gli strumenti CAD e le funzionalità di routing in Altium Designer sono ideali per creare PCB per qualsiasi applicazione. Queste funzionalità di progettazione controllano automaticamente il layout rispetto a importanti regole di progettazione, garantendo che la vostra scheda rispetti importanti standard di creepage e clearance, così come gli standard di corrente di perdita PCB. Avrete anche un completo set di funzionalità di documentazione che vi aiutano a prepararvi per la produzione e l'assemblaggio.

Ora potete scaricare una prova gratuita di Altium Designer e scoprire di più sui migliori strumenti di layout, simulazione e pianificazione della produzione del settore. Parlate oggi stesso con un esperto Altium per saperne di più.