高電圧用PCBの設計：PCBレイヤー

私の姉は4-Hプロジェクトとしてケーキをデコレーションしていましたが、私は鶏を飼ったり、コンピュータを組み立てたりしていました。彼女は年に少なくとも6つの「展示品質」のケーキを作らなければならず、さらに完璧に出来なかったものもありました。実は、ケーキを食べるのにも飽きてしまうことがあり、結局はスチロールの形を使ってそれらをデコレーションするようになります。これにより、実際のケーキにデザインを施す前に練習する機会が得られます。デザインを正しく行うには十数回の試みが必要かもしれませんし、その上でデコレーション中に小さなミスをすると、全体が台無しになってしまいます。

美味しいたとえ話をするなら、PCBをケーキのように考えることができます。基板がケーキで、銅のトレース、はんだ、オーバーコートなど、異なるスタイルのアイシングのようなものが必要で、それらをすべてまとめる必要があります。設計が機能することを確認するために、どの材料を使用するかを決定する必要があります。そして、アイシングのように、どの段階での小さなミスも、特に高電圧を扱う場合には、素晴らしい設計を悲しい混乱に変えてしまいます。

ヘビーコッパーボードの設計

軽い銅は低い機械的および熱的ストレスで故障するため、トレースとパッドにはより重い銅を検討するべきです。重銅PCB設計では、できるだけ厚いラミネート層を使用する必要があります。ケーキとは異なり、ラミネート内の気泡はふわふわしていて良いものではありません。この文脈では、それらが誘電体の破壊を引き起こし、ボードの電圧定格を低下させます。良いプレプレグで空隙を最小限に抑えることができます、例えば2113や1080のように、高い樹脂含有量と小さなガラス粒子を持っています。

製造中に材料の不一致や空洞を作り出すリスクを冒してラミネートを混ぜることはめったにありませんが、HVPFでプレプレグの層を置き換えることが時々うまくいくことがあります。チョコレートとキャロットケーキの層を混ぜるように、慎重に進めるべきです。

はんだマスクの計画

はんだマスク（時々「はんだストップマスク」または「はんだレジスト」と呼ばれます）は、基本のフロスティングの上の装飾のようなものです。これは、特に高電圧PCBにとって重要な酸化損傷を防ぐために、トレースの上に重銅PCBの考慮事項に適用されます。

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

ソルダーマスクは、アイシングのように温度に非常に敏感です。溶けることはありませんが、動作温度が上昇するとソルダーマスクの電圧定格が大幅に低下します。

標準のソルダーレジストは一貫性がないため、マスクが適用された後、トラックの端に頻繁にピンホールや他の小さな空隙があります。これらのマスクの領域に粒子やその他の汚染物質が捕らえられやすく、効果的な電圧保護も低下します。

電圧が約1kVまでの場合、ソルダーストップマスクは良い選択です。5kVまでのマスクを使用することもできますが、ボード上のどこにも密接に配置されたパッドやトレースを持つことはできません。UVソルダーマスクのオーバーアーク定格は、通常の厚さ0.7-1.5ミルで約500V/ミルです。

中電圧回路には、はんだマスクを2回または3回塗布する必要があります。追加の塗布は、表面のパッドや穴の周りにより多くのクリアランスが必要になることを意味します。設計プロセスの早い段階で製造業者に相談して、後でレイアウトを大幅に再配置する時間を無駄にしないようにしてください。また、マスクが追加のオーブン硬化（UVマスクのみ）やUV「バンプ」（UVおよびオーブン硬化マスク用）を受けられるかどうかも尋ねるべきです。追加の硬化により、マスクはより硬く強くなります。

また、基板の表面を計画する際には、ルーティングされたエッジを考慮に入れるべきです。ルーティングははんだ抵抗を削り取り、アーク電圧を下げる欠陥を引き起こす可能性があります。アイシングでメッセージを書くように、端に流れ出さないようにしたいので、少しのバッファが必要です。ルーティングされたエッジからはんだマスクを保護するのに0.25 mmでも十分ですが、高電圧の基板には重い銅を使用する場合、距離を増やすべきです。その追加のスペースは、はんだマスクが銅を完全に覆うのに十分な部屋を提供し、有効な誘電体を増加させます。

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

基板の表面に2層を塗布することで、ソルダーストップマスクを上塗りすることができます。まるでアイシングの下層を塗るように、そしてその上に装飾層を塗るようにです。コーティングプロセス中に作成される空洞のサイズを最小限に抑えるために、基板全体に直交する角度でコーティングを施してください。これは、基板へのアーキングやコロナ損傷を大幅に減少させるのに役立ちます。

ソルダーマスクは、ルーティングされると剥がれやすくなる可能性があるため、マスクがフロスティングのように端に流れ出るのではなく、バッファゾーンを設計するべきです。

オーバーコートの使用

プリント基板の上部に使用できる他のオーバーコートがあり、銅トレースを保護し、基板の表面上の誘電値を高めることができます。

最も一般的なのは、高い誘電値を持ち、コロナ効果を減少させ、オーバーアーク電圧を増加させるKaptonオーバーコートです。Kaptonは、プリルーティングされ、穿孔された後、アクリル接着剤で基板に圧着されます。1-5ミルの厚さで2-3kVの評価を持つシートを入手でき、複数の層を使用することができます。

あなたのカプトン層は、パッド開口部が通常ドリルで開けられるため、適切な製造方法に合わせて設計する必要があります。つまり、開口部は円形であり、製造公差を考慮したサイズと間隔が必要です。他の形状の開口部をCNCミルで加工することは可能ですが、遅くて費用がかかります。

また、製造業者が提供できるものに応じて、マイラーやHVPFをオーバーコートとして使用することもできます。

トレースやコーティングのための材料と設計を計画しない場合、全体を廃棄しなければならないかもしれません。

製造業者とのコミュニケーション

高電圧ボードの表面を保護するほぼすべての側面は、製造材料や公差に依存しています。ボード設計に取り組む前に、それらの詳細をすべて明確にしておくことが重要です。そうでなければ、膨大な量の作業を廃棄することになります。材料や間隔が明確に伝えられていない場合、製造業者はボード全体の高電圧を扱うのに十分な強度がない安価な方法を使用するかもしれません。

製造業者と協力する際には、彼らがあなたのボード設計の材料や製造仕様を扱う能力を持っていることを確認してください。真空含浸、圧力硬化、またはボードやコーティングの追加焼成が必要かどうかを指定する必要があります。また、品質管理や高電圧製品の履歴を調査することも有用です。汚染を防ぎ、コーティングや接着が施される前に品質の良い接着を保証するため、清潔さと表面処理の基準を確認してください。

最後に、設計が製造の制約によって指定された許容誤差を満たしていることを確認してください。そうでなければ、美しく始まった設計を結局廃棄することになりかねません。ケーキデコレーションのルールチェックはありませんが、PCBのコーティングにそれを設定することができます。製造業者からの許容誤差を設計のルールチェックに含めることができます。PCB CADソフトウェア、例えばAltium Designer^®は、トラックの厚さに厳しい要件がある場合に備えて、3Dスペーシングチェックも含んでいます。始めるのは簡単で、自分だけのショークオリティの傑作を生み出し始めることができます。

3Dデザインやはんだ抵抗について質問がありますか？Altiumの専門家にお問い合わせください。