고전압 PCB 설계 및 레이아웃을 위한 재료 선택

위 이미지의 모든 컴포넌트 아래 어딘가에는 리지드 스택업 재료로 만든 PCB가 있으며, 이러한 재료는 기본 성능 요구 사항에 부합하도록 특정한 작동 표준을 충족해야 합니다. 고전압 전력 시스템 설계자를 비롯한 많은 초보 전력 전자 설계자들은 흔히 제작업체에 기본 스택업을 요청하고 바로 PCB 레이아웃을 만들곤 합니다. 이는 소형 마이크로 컨트롤러 기판과 같은 여러 무상표 제품에는 허용되며 종종 권장되기도 하는 방법입니다.

그렇다면 고전압 PCB 재료에 동일한 방식으로 접근하면 안 되는 이유는 무엇일까요?

고전압 PCB는 다른 여러 기판과 달리 안전성 및 신뢰성과 관련된 특정한 우려 사항이 있습니다. 고전압 PCB 전문 기업으로서 재료의 재고를 보유하고 있는 제작업체는 재료 세트뿐 아니라 특정한 전압 범위 및 주파수에 사용할 수 있는 표준 스택업도 추천할 수 있습니다. 직접 재료를 선택해야 하는 경우에는 아래 팁을 참고하여 범위를 좁혀서 적절한 재료 세트를 선택하세요.

적합한 고전압 PCB 재료 선택

일반적으로 "고전압"은 DC 또는 AC에서 kV 범위에 도달하는 것을 의미합니다. 적층판 데이터 시트에는 회로 기판에 가장 적합하고 고전압에서 신뢰성을 보장하는 적층판을 정하는 데 도움이 되는 몇 가지 재료 특성이 나열되어 있습니다. 고전압 PCB에 사용되는 기판 재료의 예는 다음과 같습니다.

• BT 에폭시
• 페놀 경화 리지드 적층판
• 고전압 테플론(HVPF)

다른 재료 세트를 사용하려면 다음 사양에 유의해야 합니다.

비교 추적 지수(CTI)

설계의 내절연파괴성을 정량화하는 데 사용되는 중요한 종합 지표 중 하나는 비교 추적 지수(CTI)입니다. CTI는 PCB 기판과 같은 절연 재료가 표면 근처에서 파괴되기 시작하는 전압을 정의합니다. 재료는 파괴 중 탄화되기 시작하며, 전도성이 높아져 누설 전류가 증가하고 시간이 지날수록 파괴가 가속화됩니다.

IEC-60950-1 및 IPC-2221과 같은 산업 표준에는 CTI 값을 기준으로 고전압 PCB에 권장되는 몇 가지 재료가 언급되어 있습니다. 이러한 값은 일부 표준 테스트(특히 UL 746A, IEC 60112 또는 ASTM D3638)를 사용하여 측정할 수도 있습니다. CTI 값은 6가지 성능 수준 범주(PLC)로 분류됩니다.

실제로 도체 간격이 매우 좁을 때 CTI를 활용하여 두 도체 사이의 누설 전류를 추정할 수 있습니다. CTI를 통해 파악되는 저하는 전리 및 이후의 전류 서지로 이어지는 절연 파괴와 동일하지 않다는 점에 유의해야 합니다. 이러한 수치는 일반적으로 CTI 수치보다 훨씬 높으며, kV에 달합니다. 이와 같은 전압에 노출된 설계는 장기적 신뢰성을 보장하기 위해 최소한 PLC 0 재료가 필요합니다.

수지 함량, 유리 직조 및 경화제

설계에 사용된 재료 시스템, 특히 수지 함량 및 경화제는 설계의 신뢰성에 영향을 미칩니다. FR4 적층은 높은 파괴 전압값에도 불구하고 CTI 값(200~300V DC 이하)이 낮기 때문에 고전압 PCB 설계로 간주되는 설계 중 낮은 사양의 설계에서 사용할 수 있습니다. 시간 경과에 따른 고전압 PCB 재료의 탄력성은 수지 함량과 경화제 모두와 관련이 있습니다. 이는 다음의 두 가지 이유로 고전압 PCB에서 중요합니다.

• 고전압이 높은 퍼텐셜을 유지하는 도체 간 수지상 구조의 금속 이동과 전기화학적 성장을 촉진하는 전도성 양극 필라멘테이션(CAF) 고장.
• 수지 함량이 낮을 때의 공극. 이러한 공극으로 인해 PCB 스택업에서 레이어 간 저하 메커니즘이 발생할 가능성이 높아집니다. 일반적으로 고전압 설계에서는 수지 함량이 높아 섬유 직조가 느슨해지는 것을 선호합니다.

디시안디아미드(DICY) 기반 FR4 적층판의 경우 유리 전이 온도(Tg) 값이 약 180°C로 다소 높을 수 있습니다. 그러나 이러한 수지 시스템은 Isola의 데이터에서 볼 수 있듯이(아래 참조) 높은 전압 구배에서 더 일찍 고장 날 수 있습니다. 두 경화제 모두 비슷한 CTI를 제공할 수 있지만, 경화된 적층판에서는 CAF 성장이 억제되므로 페놀 경화제의 고장률이 더 높습니다.

고전압 기판의 신뢰성에서 고려해야 할 또 한 가지는 유리 직조입니다. 1080, 2113 또는 2116과 같이 비교적 섬세한 유리 직조가 바람직한 반면, 106 직조와 같이 느슨한 직조는 장기적 수명이 단축될 수 있습니다. 이러한 직조는 수지 흐름과 침투를 허용하는 동시에 저전압에서 CAF를 억제해야 할 필요성의 균형을 맞춥니다.

표면 마감 및 구리 무게

또한 구리의 품질이 고전압 작동 요건을 충족해야 합니다. 이러한 요건에는 적절한 구리 무게 및 표면 마감 선택도 포함됩니다. 베어 구리(권장되지 않음)를 사용하든 ENIG와 같은 표준 표면 마감재를 사용하든 마감 표면은 최대한 매끄러워야 합니다. 인터페이스가 거칠면 정전하가 축적될 수 있는 영역이 생기므로 매끄러운 표면 마감 설계가 좋습니다. 저전압에서는 도체의 여러 부분 사이의 전기장 강도가 너무 낮아서 공기 중에서 아크나 절연 파괴를 일으킬 수 없으므로 이것이 실제로 문제가 되지 않습니다. 제작업체는 완성된 기판 취급과 필요한 구리 무게에 가장 적합한 도금 재료/두께와 관련하여 이 부분에 대한 지침을 제공할 수 있어야 합니다.

고전류 재료에서는 구리 무게가 더욱 중요합니다. 항상 그런 것은 아니지만, 구리 무게는 대체적으로 고전압에서 더 중요해지는 경향이 있습니다. 전류가 높을수록 구리 무게가 더 무거워야 하며, 대형 레이아웃에서는 어느 순간 전류가 100A를 초과하는 경우 버스바로 전환해야 합니다. IPC-2152 노모그래프는 PCB의 도체 크기 설정 시 가장 먼저 참고할 만한 도구이지만, 해당 표준에서 권장하는 값은 지나치게 보수적일 수 있으며 모든 PCB에 보편적으로 적용되지 않을 수 있습니다.

고전압 PCB 레이아웃 시작

궁극적으로는 기판을 지원하고 장기간 고전압 작동을 견딜 수 있는 적층판을 선택하게 됩니다. PCB를 위한 적층 레이어, 구리 무게와 도금을 선택한 후에는 스택업 및 PCB 레이아웃 계획을 수립해야 합니다. 스택업은 제작업체와 상의하여 만들어야 합니다. 여러분이 선택한 적층판을 사용할 수 없는 경우 보통 제작업체는 대체 적층판을 제안할 수 있습니다.

다음으로 레이아웃이 안전 표준에 규정된 도체 간 간격 등 기본 안전 및 신뢰성 규칙을 준수하는지 확인해야 합니다. 대다수 리지드 기판 PCB 레이아웃의 출발점은 IPC-2221입니다. 또는, MIL-STD-275에서는 군사용 및 항공용 전자 장치와 같이 더 안정적인 제품을 위해 간격을 8V/mil로 설정할 것을 권장합니다. 다만 이러한 표준 중 일부는 오래되었으며, 1000 V/Mil를 처리할 수 있는 HVPF 또는 Kapton과 같은 신소재를 고려하여 업데이트되지 않았습니다. 자세한 지침이 필요하면 이러한 PCB 표준 및 기타 산업별 표준(IEC 등)을 참조하세요.

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