PCB 누설 전류 및 고전압 설계에서의 파괴

옴의 법칙: 모든 종류의 회로를 분석하는 데 있어 우리가 가진 멋진 도구입니다. 이 간단한 관계는 많은 장치에 적용되어 단일 방정식으로 구성 요소의 많은 측면을 쉽게 설명할 수 있습니다. 그러나 고전압 PCB의 경우, 회로의 중요한 측면을 이해하기 위해 옴의 법칙 외에 다른 도구를 사용해야 합니다. 파슈헨의 법칙과 키르히호프의 법칙을 도입하면 고전압 PCB의 작동 원리를 이해하는 데 필요한 모든 것을 갖추게 됩니다.

고전압에서 발생하는 중요한 현상 중 하나는 PCB 누설 전류입니다. 이 현상은 옴의 법칙을 사용하여 꽤 간단히 설명할 수 있습니다: 보드의 두 지점 사이에 전위 차이가 있으면, 이 두 지점 사이의 전류는 저항이 높을 때 낮아집니다. PCB가 작동 상태에 들어가면, 여러 가지 이유로 누설 전류가 변할 수 있습니다. 설계자로서의 여러분의 임무는 이러한 문제를 예상하고 누설 전류를 최소화하기 위해 적절한 재료를 선택하는 것입니다.

PCB 누설 전류란 무엇인가?

고전압 설계 분야에서, PCB에 대해 일반적으로 이야기하든 고전압 시스템 설계에 대해 이야기하든, 누설 전류는 두 지점 사이의 직류 전위 차이에서 발생합니다. PCB에서, 전위 차이가 있는 두 도체는 절연 기판에 의해 분리되어 있으며, 이 두 도체 사이의 기판을 통해 일부 전류가 흐를 수 있습니다. 약 10 V의 전위 차이는 기판의 전도성에 따라 약 10 nA의 누설 전류를 발생시킬 수 있습니다.

섬유 직조 기판과 솔더 마스크 재료의 다공성은 제작 중에 물을 흡수하게 하며, 이러한 물 흡수는 운영 중에 시간이 지남에 따라 계속됩니다. 수분은 에폭시 글라스 프레프레그 재료와 제작 전 기판의 미세 균열에 존재할 수 있습니다. 습한 제조 공정 중에 물과 다른 액체가 흡수될 수 있으며, 저장 중에 PCB의 표면으로 수분이 확산될 수 있습니다.

고습 환경에 배치된 PCB는 수분 함량이 포화 상태에 이를 때까지 물을 흡수합니다. 수분 함량이 높은 PCB 기판은 물과 PCB 제조 과정에서 사용되는 다른 액체들이 극성을 띠기 때문에 높은 전도성을 가지는 경향이 있어 누설 전류가 더 높습니다. 시간이 지남에 따라, 보드가 수분이 없는 환경에서 준비되고 배치 전에 충분히 가스를 제거했더라도 PCB 전체에 걸친 누설 전류가 증가합니다. 수분 외에도 작은 먼지 입자들이 보드에 쌓일 수 있으며, 전기장이 큰 지역에서는 먼지가 더 빨리 쌓입니다. 수분과 먼지는 시간이 지남에 따라 PCB 누설 전류가 증가하는 데 기여합니다. 수분과 먼지 축적은 또한 표면을 아킹, 즉 보드 표면 전체의 절연 파괴 전계가 낮아지게 만듭니다.

먼지는 PCB 누설 전류를 증가시킬 수 있습니다

고임피던스 입력을 가진 구성 요소의 노드 사이에 큰 누설 전류가 발생하면 구성 요소가 감지하는 입력 전압에 상당히 큰 감소가 발생할 수 있으며, 이는 IR 강하와 유사합니다. 예를 들어, 1 MOhm 입력 임피던스를 가진 구성 요소의 양극과 음극 리드를 통해 100 nA의 PCB 누설 전류가 분산된다고 가정하면, 옴의 법칙에 따라 입력 전압이 0.1 V 감소합니다. 이는 고전압 보드의 실패 기준을 결정할 때 PCB 누설 전류와 함께 고려되어야 합니다.

크리피지, 클리어런스 및 누설 전류

절연 기판을 통한 누설 전류는 이미 DC 전압 차이로 인해 발생할 수 있지만, 두 충전된 도체 사이에 초기 붕괴가 발생한 후에는 누설 전류가 증가합니다. 두 도체 사이에 붕괴가 발생하는 경우, PCB의 표면에 탄소가 축적될 수 있습니다. 탄화된 표면을 따라 형성된 트랙은 상당히 전도성이 높아, 높은 전위 차이를 가진 보드의 두 지점 사이의 누설 전류를 증가시킵니다. 매우 심각한 탄화, 예를 들어 탄소가 풍부한 분위기에서의 붕괴나 반복적인 붕괴 사건은 보드의 두 지점 사이에 효과적으로 단락을 형성할 수 있습니다.

IPC 2221B는 전압, 고도 수준, 코팅에 따른 크리피지 및 클리어런스 거리를 다루는 일반 표준입니다. 이 표준은 고도에 따라 이러한 거리를 명시하고 있지만, 실제로 도체 사이의 대기압이 대기 중의 공기에 대한 절연 파괴장을 결정하는 주요 요소입니다(Paschen의 법칙에 따라). 공기 중의 수분 함량도 절연 파괴장을 영향을 주며 시간이 지남에 따라 누설 전류의 가능성이 증가할 수 있습니다. 이러한 요소들은 크리피지 및 클리어런스 요구 사항에도 영향을 미치며; 고전압 시스템은 일반적으로 안전 목적과 누설 전류를 줄이기 위해 과도하게 설계되어야 합니다.

보드가 습한 환경에서 사용될 경우, 완성된 보드에서 수분을 제거하는 것은 거의 의미가 없습니다. 왜냐하면 운영 중에 다시 보드에 수분이 흡수될 것이기 때문입니다. 고전압 PCB용으로 설계된 습기 보호를 위한 일부 절연 컨포멀 코팅이 있습니다.

먼지 문제가 있거나 잔여물이 남아 있는 보드의 경우, PCB에서 오염물질을 제거하기 위해 간단한 세척 절차가 충분합니다. 이는 이소프로필 알코올로 보드를 닦은 다음, 탈이온수로 헹구고 몇 시간 동안 85°C에서 보드를 굽는 과정을 포함합니다. 수용성 플럭스가 있는 보드에 용제를 사용할 때는 여전히 주의해야 합니다. 이러한 재료를 혼합하면 보드가 건조되고 굽힌 후에 소금 침전물이 남을 수 있습니다.

고전압 PCB를 이런 방식으로 청소해서는 안 됩니다...

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