Projektowanie PCB dla wysokiego napięcia: Warstwy PCB

Moja siostra kiedyś dekorowała torty jako projekt 4-H, podczas gdy ja zajmowałem się kurami i składałem komputer. Musiała stworzyć co najmniej sześć tortów „godnych pokazu” w roku, plus wszystkie te wersje, które nie wyszły idealnie. Okazuje się, że można faktycznie mieć dość jedzenia ciasta, więc ostatecznie zaczynasz używać form ze styropianu i dekorować te. Daje ci to szansę na praktykę projektu zanim faktycznie umieścisz go na prawdziwym torcie. Uzyskanie właściwego projektu może wymagać nawet kilkunastu prób, i nawet wtedy, mały błąd podczas dekorowania może zrujnować całość.

Dla smakowitej analogii, możesz myśleć o PCB jak o torcie. Płytka to ciasto, ale potrzebujesz ścieżek miedzianych, lutu i powłok ochronnych, jak różne style lukru, aby wszystko połączyć. Musisz zdecydować, jakie materiały zamierzasz użyć, aby być pewnym, że twój projekt będzie działał. I jak lukier, mały błąd na jakimkolwiek etapie zamienia wspaniały projekt w smutny bałagan, szczególnie gdy pracujesz z wysokim napięciem.

Projektowanie płyt z grubą miedzią

Ponieważ lżejszy miedź zawodzi przy niższym obciążeniu mechanicznym i termicznym, powinieneś rozważyć użycie cięższej miedzi dla ścieżek i padów. W projektach PCB z ciężką miedzią, będziesz musiał użyć najgrubszych warstw laminatu, jakie możesz. W przeciwieństwie do ciasta, pęcherze powietrza w laminacie nie są puszyste i miłe. W tym kontekście powodują one przebicie dielektryczne i obniżenie napięcia znamionowego płytki. Możesz zminimalizować luki powietrzne za pomocą dobrego prepregu, takiego jak 2113 lub 1080, które mają wysoką zawartość żywicy i małe cząsteczki szkła.

Rzadko kiedy chcesz mieszać laminaty ze względu na ryzyko tworzenia niezgodności materiałowych lub pustek podczas fabrykacji, ale czasami może się to udać, jeśli zastąpisz warstwę prepregu HVPF. Powinieneś postępować ostrożnie, jak przy mieszaniu warstw ciasta czekoladowego i marchewkowego.

Planowanie maski lutowniczej

Maska lutownicza (czasami nazywana "maską zatrzymującą lut" lub "opornikiem lutowniczym") jest jak dekoracja na wierzchu podstawowego lukru. Jest aplikowana na rozważania dotyczące ciężkiej miedzi PCB na twoich ścieżkach, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym przez utlenianie, co jest szczególnie ważne dla PCB wysokiego napięcia.

Tak jak lukier, maska lutownicza jest bardzo wrażliwa na temperaturę. Nie topi się, ale wartość napięciowa maski lutowniczej znacząco spada wraz ze wzrostem temperatury pracy.

Standardowe maski przeciwutleniające nie są spójne, co oznacza, że często posiadają mikrootwory lub inne małe puste przestrzenie wzdłuż krawędzi ścieżek po nałożeniu maski. Łatwo o to, by cząsteczki i inne zanieczyszczenia utknęły w tych rejonach maski, obniżając skuteczną ochronę przed napięciem.

Maszki zatrzymujące lut są dobrym wyborem, jeśli używasz napięcia tylko do około 1 kV. Możesz zaryzykować użycie maski do 5 kV, ale nie możesz mieć blisko położonych padów lub ścieżek gdziekolwiek na płytce. Ocena przeskoku łuku dla mask UV lutowniczych wynosi około 500 V/mil przy ich zwykłej grubości 0,7-1,5 mila.

Dla obwodów średniego napięcia powinieneś zastosować dwie lub trzy warstwy maski lutowniczej. Dodatkowe warstwy oznaczają, że będziesz potrzebować więcej miejsca wokół padów i otworów na powierzchni. Zapytaj swojego producenta na wczesnym etapie procesu projektowania, aby nie stracić dużo czasu na późniejsze przekładanie układu. Powinieneś również zapytać, czy maska może zostać dodatkowo utwardzona w piecu (tylko dla masek UV) i/lub czy można zastosować dodatkowe naświetlanie UV (dla masek UV i utwardzanych w piecu). Dodatkowe utwardzanie sprawi, że maska będzie twardsza i mocniejsza.

Powinieneś również zaplanować powierzchnię płytki, biorąc pod uwagę wszelkie frezowane krawędzie. Frezowanie może uszkodzić maskę lutowniczą i wprowadzić defekty, które obniżają napięcie łukowe. Można to porównać do pisania wiadomości lukrem – nie chcesz, aby spłynęła poza krawędź, więc potrzebujesz trochę bufora. Nawet 0,25 mm wystarczy, aby chronić maskę lutowniczą przed frezowanymi krawędziami, ale powinieneś zwiększyć odległość przy użyciu grubego miedzianego przewodu dla płyt wysokiego napięcia. Dodatkowa przestrzeń zapewnia wystarczająco dużo miejsca, aby maska lutownicza całkowicie pokryła miedź i zwiększa efektywną dielektryczność.

Możesz nałożyć maskę lutowniczą, kładąc dwie warstwy na powierzchni płytki, podobnie jak nakładasz warstwę okruchów lukru, a następnie dekoracyjną. Czy powłoki można nakładać pod kątami prostymi na całej płycie, aby zminimalizować rozmiar pustek powstających podczas procesu powlekania? To znacząco pomoże zmniejszyć uszkodzenia płytki spowodowane łukami elektrycznymi i koroną.

Maska lutownicza może się odpryskiwać, jeśli zostanie przecięta, dlatego powinieneś zaprojektować strefę buforową, zamiast pozwalać masce płynąć po krawędziach jak lukier.

Używanie powłok ochronnych

Istnieją inne powłoki ochronne, które możesz użyć na wierzchu swojej płytki drukowanej, aby chronić ścieżki miedziane i zwiększyć wartość dielektryczną na powierzchni płytki.

Najczęściej stosowaną jest powłoka Kapton, która ma wysoką wartość dielektryczną zmniejszającą efekty korony i zwiększającą napięcie łuku. Kapton jest przycinany i wiercony, a następnie prasowany na twojej płytce za pomocą kleju akrylowego. Możesz uzyskać arkusze o grubości 1-5 mil z oceną 2-3 kV, i możesz używać wielu warstw.

Warstwa Kaptonu musi być zaprojektowana z uwzględnieniem odpowiedniej metody produkcji, ponieważ otwory w padach są zazwyczaj wiercone. Oznacza to, że otwory muszą być okrągłe, z rozmiarami i odstępami uwzględniającymi tolerancje produkcyjne. Możliwe jest frezowanie CNC otworów o innych kształtach, ale jest to wolne i kosztowne.

Możesz również użyć Mylaru lub HVPF jako powłok ochronnych, w zależności od tego, co może zapewnić producent.

Jeśli nie zaplanujesz materiałów i projektu dla ścieżek i powłok, prawdopodobnie będziesz musiał wyrzucić całość.

Komunikuj się z producentem

Prawie każdy aspekt ochrony powierzchni twojej płytki wysokiego napięcia zależy od materiałów produkcyjnych lub tolerancji. Upewnij się, że wyjaśniłeś wszystkie te szczegóły przed zobowiązaniem się do projektu płytki, w przeciwnym razie skończysz na wyrzucaniu ogromnej ilości pracy. Jeśli materiały i odstępy nie są jasno skomunikowane, producent może użyć tańszego podejścia, które nie jest wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać wysokie napięcie na całej płytce.

Podczas współpracy z producentem, upewnij się, że dysponuje on możliwościami obsługi materiałów i specyfikacji produkcyjnych Twojej płytki. Powinieneś określić, czy potrzebujesz impregnacji próżniowej, utwardzania pod ciśnieniem czy dodatkowych wypieków Twojej płytki i powłok. Przydatne jest również zbadanie ich kontroli jakości i historii produktów wysokonapięciowych. Zweryfikuj ich standardy czystości i przygotowania powierzchni, aby zapobiec zanieczyszczeniom i zapewnić jakość adhezji przed nałożeniem powłok i wiązania.

Ostatecznie, upewnij się, że Twój projekt spełnia tolerancje określone przez ograniczenia produkcyjne. Jeśli tego nie zrobisz, prawdopodobnie skończysz wyrzucając projekt, który zaczął się pięknie. Chociaż nie ma kontroli zasad dekorowania ciast, możesz je ustawić dla powłok na Twojej PCB. Tolerancje od Twojego producenta mogą być uwzględnione w kontroli zasad dla Twojego projektu. Oprogramowanie CAD do PCB, takie jak Altium Designer^®, zawiera nawet kontrole odstępów 3D, na wypadek gdybyś miał ścisłe wymagania dotyczące grubości ścieżek. Łatwo jest zacząć i tworzyć własne arcydzieła jakości wystawowej.

Masz pytanie dotyczące projektowania 3D lub maski lutowniczej? Skontaktuj się z ekspertem w Altium.