高電圧設計におけるPCBリーク電流と絶縁破壊

オームの法則：これは、あらゆるタイプの回路を分析するために私たちが持っている素晴らしいツールです。この単純な関係は多くのデバイスに適用されるため、この一つの方程式でコンポーネントの振る舞いの多くの側面を簡単に説明できます。しかし、高電圧PCBの場合、回路の重要な側面を理解するためにオームの法則に加えて他のツールを使用する必要があります。パッシェンの法則とキルヒホッフの法則を取り入れれば、高電圧PCBの動作原理を理解するために必要なすべてが揃います。

高電圧で発生する重要な効果の一つに、PCBのリーク電流があります。この効果はオームの法則を使って非常に簡単に説明できます：ボード上の二点間に電位差がある場合、これら二点間の電流は抵抗が高いときに低くなります。PCBが運用に入ると、リーク電流はさまざまな理由で変化することがあります。設計者としてのあなたの仕事は、これらの問題を予測し、リーク電流を最小限に抑えるために適切な材料を選択することです。

PCBリーク電流とは何か？

高電圧設計の世界では、一般的にPCBや高電圧システム設計について話している場合、漏れ電流は2点間の直流電位差から生じます。PCB上では、電位差を持つ2つの導体が絶縁基板によって分離されており、これら2つの導体間で基板を通じてある程度の電流が流れることがあります。約10Vの電位差で、基板の導電性に応じて約10nAの漏れ電流が生じることがあります。

ファイバーウィーブ基板やはんだマスク材料の多孔性により、製造中に水分を吸収し、運用中にも時間とともにこの水分吸収が続きます。エポキシガラスプレプレグ材料や製造前の基板の微細な亀裂にも水分が存在することがあります。湿潤製造プロセス中に水や他の液体が吸収され、保管中にPCBの表面に水分が拡散することがあります。

高湿度環境に配置されたPCBは、水分が飽和するまで水を吸収します。水分含有量が高いPCB基板は、PCB製造プロセス中に使用される水やその他の液体が極性を持つため、より高い漏れ電流を有します。これらは高い導電性を持つ傾向があります。時間が経つと、ボードが無湿度環境で準備され、展開前に徹底的にガス抜きされていたとしても、ボード全体の漏れ電流は増加します。湿度に加えて、小さなほこりの粒子がボード上に蓄積することがあり、電場が大きい領域ではほこりがより速く蓄積します。湿度とほこりの両方が、時間とともにPCBの漏れ電流の増加に寄与します。湿度とほこりの蓄積は、表面をアーク放電（すなわち、ボードの表面を横切る破壊電場が低下する）により感受性が高くします。

ほこりはPCBの漏れ電流の増加につながる可能性があります

高インピーダンス入力を持つコンポーネントのノード間に大きな漏れ電流が生じると、コンポーネントによって見られる入力電圧がIRドロップに似た形でかなり大きく低下することがあります。例として、PCBの漏れ電流が100 nAが1 MOhmの入力インピーダンスを持つコンポーネントの正負のリードを横切って流れる場合を考えてみましょう。オームの法則によると、これは入力電圧を0.1 V減少させます。これは、高電圧ボードの故障基準を決定する際に、PCBの漏れ電流と共に考慮すべきです。

クリープ距離、クリアランス、および漏れ電流

絶縁基板を横切る漏れ電流は、DC電圧差があるだけで発生することがありますが、2つの帯電導体間で初期のブレークダウンが発生した後、漏れ電流は増加します。2つの導体間でブレークダウンが発生した場合、炭素がPCBの表面に沿って蓄積することがあります。炭化した表面に形成されるトラックはかなり導電性が高く、高い電位差を持つボード上の2点間の漏れ電流を増加させます。非常に深刻な炭化、例えば炭素豊富な雰囲気でのブレークダウンや繰り返しのブレークダウンイベントは、ボード上の2点間に実質的に短絡を形成することがあります。

IPC 2221Bは、電圧、高度レベル、およびコーティングに応じたクリープ距離とクリアランス距離をカバーする一般的な標準です。この標準は高度に応じてこれらの距離を指定していますが、導体間の空気の大気圧が実際に絶縁破壊電界を決定するパラメータである（パッシェンの法則による）。空気中の水分含有量も絶縁破壊電界に影響を及ぼすだけでなく、時間の経過とともに漏れ電流が増加する可能性もあります。これらの要因はクリープ距離とクリアランス要件にも影響を与えます。高電圧システムは、安全上の目的と漏れ電流を減少させるために、一般的に過設計されるべきです。

もし基板が湿度の高い環境で使用される場合、完成した基板から湿気を取り除くことにほとんど意味はありません。なぜなら、運用に置かれるとすぐに基板に再吸収されるからです。高電圧PCB用に設計された湿度保護のための絶縁コンフォーマルコーティングがあります。

ほこりや残留物の問題がある基板の場合、PCBから汚染物質を除去するために簡単な洗浄手順が十分です。これには、イソプロピルアルコールで基板をブラッシングし、脱イオン水で洗浄した後、数時間85°Cで基板を焼くことが含まれます。水溶性フラックスを含む基板に溶剤を使用する際には、これらの材料を混合すると、基板が乾燥して焼かれた後に塩の沈殿物が残る可能性があるため、依然として注意が必要です。

高電圧PCBをこの方法で清掃すべきではありません...

Altium DesignerのCADツールとルーティング機能は、あらゆるアプリケーションのPCBを作成するのに理想的です。これらの設計機能は、レイアウトを重要な設計ルールに対して自動的にチェックし、基板が重要なクリープ距離とクリアランス基準、およびPCB漏れ電流基準に準拠していることを保証します。また、製造と組み立ての準備に役立つ完全なドキュメント機能セットも利用できます。

今すぐ無料トライアルのAltium Designerをダウンロードして、業界最高のレイアウト、シミュレーション、生産計画ツールについてさらに詳しく学ぶことができます。今日、Altiumの専門家に相談してさらに詳しく知ることができます。