고전압용 PCB 설계: PCB 레이어

제 여동생은 4-H 프로젝트로 케이크를 장식하는 일을 했었고, 저는 닭을 키우고 컴퓨터를 조립했습니다. 그녀는 매년 최소 여섯 개의 “전시 품질” 케이크를 만들어야 했고, 완벽하지 않게 나온 케이크들도 모두 만들었습니다. 결국 케이크를 먹는 것에 질릴 수도 있다는 것을 알게 되었고, 결국에는 스티로폼 형태로 만들어 그 위에 장식을 하기 시작했습니다. 이는 실제 케이크에 디자인을 하기 전에 연습할 기회를 제공합니다. 디자인을 올바르게 완성하는 데는 열두 번의 시도가 필요할 수도 있고, 심지어 장식하는 동안 작은 실수 하나로 전체가 망가질 수도 있습니다.

맛있는 비유를 하자면, PCB를 케이크처럼 생각할 수 있습니다. 기판이 케이크이지만, 구리 도선, 솔더, 오버코트와 같은 다양한 스타일의 아이싱이 모두 함께해야 합니다. 디자인이 작동할 수 있도록 사용할 재료를 결정해야 합니다. 그리고 아이싱처럼, 어느 단계에서든 작은 실수는 훌륭한 디자인을 슬픈 엉망으로 바꿔버릴 수 있습니다. 특히 고전압을 다룰 때는 더욱 그렇습니다.

두꺼운 구리 기판 디자인하기

경량 구리는 낮은 기계적 및 열적 스트레스에서 실패하기 때문에, 트레이스와 패드에 더 무거운 구리를 고려해야 합니다. 무거운 구리 PCB 디자인에서는 사용할 수 있는 가장 두꺼운 라미네이트 층을 사용해야 합니다. 케이크와 달리, 라미네이트 내의 공기 방울은 푹신하고 좋지 않습니다. 이러한 맥락에서, 그것들은 기판의 유전 파괴와 전압 등급을 감소시킵니다. 좋은 프레프레그를 사용하여 공기 간격을 최소화할 수 있습니다, 예를 들어 2113이나 1080과 같은 것들은 높은 수지 함량과 작은 유리 입자를 가지고 있습니다.

제작 중에 재료 불일치나 공극을 만들 위험을 감수하면서 라미네이트를 혼합하고 싶어하는 경우는 드물지만, 가끔 프레프레그의 한 층을 HVPF로 교체하는 것이 효과적일 수 있습니다.. 초콜릿과 당근 케이크의 층을 섞는 것처럼 주의를 기울여야 합니다.

솔더 마스크 계획하기

솔더 마스크(때로는 "솔더 스톱 마스크" 또는 "솔더 저항"이라고 함)는 기본 프로스팅 위의 장식과 같습니다. 그것은 특히 고전압 PCB에 중요한 산화 손상을 방지하기 위해 무거운 구리 PCB 고려 사항에 따라 트레이스 위에 적용됩니다.

솔더 마스크는 프로스팅처럼 온도에 매우 민감합니다. 녹지는 않지만, 솔더 마스크의 전압 등급은 운영 온도가 증가함에 따라 현저히 감소합니다.

표준 솔더 저항제는 일관성이 없어, 마스크가 적용된 후 트랙의 가장자리에 자주 핀홀이나 다른 작은 공극이 생깁니다. 이 마스크의 영역에 입자나 다른 오염물질이 잡히기 쉬우며, 이는 효과적인 전압 보호를 감소시킵니다.

전압이 대략 1 kV까지만 사용하는 경우 솔더 스톱 마스크가 좋은 선택입니다. 최대 5 kV까지 마스크를 사용할 수 있지만, 보드 어디에도 밀접하게 배치된 패드나 트레이스를 가질 수 없습니다. UV 솔더 마스크의 과전압 등급은 보통 두께가 0.7-1.5 mil일 때 약 500 V/mil입니다.

중전압 회로의 경우, 솔더 마스크를 두세 번 적용해야 합니다. 추가 적용은 표면의 패드와 구멍 주변에 더 많은 여유 공간이 필요하다는 것을 의미합니다. 디자인 과정 초기에 제조업체에 문의하여 나중에 레이아웃을 다시 배열하는 데 많은 시간을 소비하지 않도록 하세요. 마스크가 추가적인 오븐 경화(UV 마스크만 해당) 및/또는 UV "증가"(UV 및 오븐 경화 마스크 모두에 해당)를 받을 수 있는지도 문의해야 합니다. 추가 경화는 마스크를 더 단단하고 강하게 만듭니다.

또한 보드의 표면을 계획할 때 라우팅된 가장자리를 고려해야 합니다. 라우팅은 솔더 저항을 칩으로 만들고 과전압을 낮추는 결함을 도입할 수 있습니다. 마치 아이싱으로 메시지를 쓰는 것처럼, 가장자리에서 흘러내리지 않게 하려면 약간의 버퍼가 필요합니다. 라우팅된 가장자리로부터 솔더 마스크를 보호하는 데 0.25mm만으로도 충분하지만, 고전압 보드의 경우 무거운 구리로 거리를 늘려야 합니다. 그 추가 공간은 솔더 마스크가 구리를 완전히 커버할 수 있게 하여 유효 유전체를 증가시킵니다.

기판 표면에 두 겹을 씌워 솔더 스톱 마스크를 오버코팅할 수 있습니다. 마치 아이싱의 바닥층을 깔고 그 위에 장식용 층을 올리는 것처럼 말이죠. 코팅 과정 중 생성되는 공극의 크기를 최소화하기 위해 기판 전체에 직각으로 코팅을 적용하세요. 이는 보드의 아킹(arcing)과 코로나(corona) 손상을 크게 줄이는 데 도움이 될 것입니다.

솔더 마스크는 라우팅될 경우 쉽게 벗겨질 수 있으므로, 마스크가 가장자리를 넘어 흐르는 것처럼 디자인하는 대신 버퍼 존을 설계해야 합니다.

오버코트 사용하기

인쇄 회로 기판 상단에 구리 트레이스를 보호하고 기판 표면의 유전 값을 증가시키기 위해 사용할 수 있는 다른 오버코트가 있습니다.

가장 많이 사용되는 것은 고유전 값이 있는 Kapton 오버코트로, 코로나 효과를 감소시키고 오버 아크 전압을 증가시킵니다. Kapton은 사전에 라우팅되고 드릴링된 후 아크릴 접착제로 기판에 압착됩니다. 1-5 mil 두께의 시트를 2-3 kV 등급으로 구할 수 있으며, 여러 겹을 사용할 수 있습니다.

Kapton 층은 패드 개구부가 일반적으로 드릴로 뚫리기 때문에 적절한 제조 방법에 맞게 설계되어야 합니다. 이는 개구부가 원형이어야 하며, 제조 공차를 고려한 크기와 간격을 가져야 함을 의미합니다. 다른 모양의 개구부를 CNC 밀링으로 가공하는 것도 가능하지만, 그 과정은 느리고 비용이 많이 듭니다.

Mylar 또는 HVPF를 오버코트로 사용할 수도 있는데, 이는 제조업체가 제공할 수 있는 것에 따라 다릅니다.

재료와 트레이스 및 코팅에 대한 설계를 계획하지 않으면, 전체를 폐기해야 할 수도 있습니다.

제조업체와 소통하기

고전압 보드의 표면을 보호하는 거의 모든 측면은 제조 재료나 공차에 따라 달라집니다. 보드 디자인에 착수하기 전에 이러한 세부 사항을 모두 명확히 해두어야 하며, 그렇지 않으면 엄청난 양의 작업을 폐기하게 될 것입니다. 재료와 간격이 명확하게 전달되지 않으면, 제조업체는 보드 전체에 걸친 고전압을 처리하기에 충분히 견고하지 않은 저렴한 방법을 사용할 수 있습니다.

제조업체와 협력할 때, 보드 디자인의 재료 및 제조 사양을 처리할 수 있는 능력이 있는지 확인해야 합니다. 진공 함침, 압력 경화 또는 보드와 코팅의 추가적인 베이킹이 필요한지 명시해야 합니다. 또한, 그들의 품질 관리 및 고전압 제품 이력을 조사하는 것이 유용합니다. 오염을 방지하고 코팅 및 접착이 적용되기 전에 품질 접착을 보장하기 위해 청결도 및 표면 준비에 대한 그들의 기준을 확인하세요.

마지막으로, 디자인이 그들의 제조 제약 사항에 의해 지정된 허용 오차를 충족하는지 확인하세요. 그렇지 않으면 처음에 아름다웠던 디자인을 버리게 될 가능성이 높습니다. 케이크 장식 규칙 검사는 없지만, PCB의 코팅에 대해 그러한 설정을 할 수 있습니다. 제조업체의 허용 오차는 디자인의 규칙 검사에 포함될 수 있습니다. PCB CAD 소프트웨어, 예를 들어 Altium Designer^®는 트랙 두께 주변에 엄격한 요구 사항이 있는 경우 3D 간격 검사를 포함합니다. 시작하기 쉽고, 자신만의 쇼 품질의 걸작을 생산하기 시작할 수 있습니다.

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