Porady, jak projektować obwody drukowane wysokiego napięcia – materiały dla wysokonapięciowych płytek PCB

Jestem projektantem sprzętu elektronicznego, po pracy biegam dla odprężenia, a poza tym uwielbiam robić na drutach. Moja babcia nauczyła mnie tego, gdy chodziłem do podstawówki, a od tamtego czasu przekazałem tę wiedzę już kilkunastu osobom. Zanim przejdziesz do najciekawszej części, czyli samego zrobienia czegoś na drutach, musisz wybrać włóczkę. Czy to ma być coś dla noworodka? W takim przypadku włóczka musi być miękka, ale powinna też nadawać się do prania w pralce, aby mama nie musiała tracić czasu na pranie ręczne. Czy materiał nie będzie zbyt bardzo drapał? A jeżeli ktoś jest uczulony na wełnę? Czy ubranie ma luźno zwisać, czy trzymać kształt?

Zanim zacznę robótkę na drutach, muszę określić zaskakująco wiele parametrów, aby uniknąć konieczności porzucenia nieudanego dzieła i zaczynania całej pracy od nowa. Ta sama zasada ma zastosowanie podczas wyboru materiałów dla płytki drukowanej. Zaczynając karierę projektanta PCB zapewne nie określałeś ich zbyt dokładnie, ale jeżeli projekt nie był zbyt wyspecjalizowany, prawdopodobnie nie działo się nic złego. Jednak gdy przejdziesz do projektowania płytek PCB wysokiego napięcia lub innych niszowych zastosowań, będziesz musiał brać pod uwagę dodatkowe wymagania projektowe.

Wybierz odpowiedni materiał dla płytki PCB

Płytka jest podstawą Twojego obwodu drukowanego, więc jest to pierwsza specyfikacja materiałowa, którą należy rozważyć. Potrzebujesz materiału, który będzie zarówno osiągał wymaganą wydajność, jak i radził sobie w danym środowisku pracy, ponieważ będzie ono miało znaczny wpływ na przebieg starzenia się płytki.

Projektując obwód drukowany wysokiego napięcia, będziesz potrzebować płytki z materiału zaprojektowanego tak, aby był odporny na przepięcie oraz wytrzymywał zwykłą pracę pod wysokim napięciem. Jest kilka możliwych opcji wyboru materiału:

• Laminat FR4 – FR4 charakteryzuje się bardzo wysokim napięciem przebicia izolacji. Jest on jednak o wiele bardziej porowaty niż żywica bismaleimidu triazyny (BT) i poliimidy, co zwiększa ryzyko zanieczyszczenia płytki. Ma także słabą strukturę krawędzi, a ich pękanie powoduje zmniejszenie wartości dielektrycznej laminatu. Starzenie się materiału będzie problematyczne szczególnie dla elektroniki umieszczonej blisko jego brzegu. FR4 nie zapewnia też ochrony przed zwęglaniem towarzyszącym przepięciom, ani nie ma możliwości regeneracji po takich zdarzeniach.

• Żywica BT – Termoutwardzalna żywica epoksydowa bismaleimidu triazyny (BT) ma wytrzymałe ścianki boczne i lepiej sprawdza się w zastosowaniach z cewkami płaskimi oraz w obwodach średniego napięcia.

• Isola, laminaty wysokonapięciowe – Istnieje kilka laminatów wysokonapięciowych posiadających zdolność wygaszania łuków elektrycznych i tworzenia nieprzewodzącej warstwy podłoża, wśród których jednym z najpopularniejszych jest Isola. Chociaż jest to ogromna zaleta w zastosowaniach wysokonapięciowych, przed użyciem tych materiałów należy zrozumieć ich ograniczenia. Laminaty te są zwykle dość drogie i pozwalają wyłącznie na produkcję płytek jednostronnych lub bardzo prostych dwustronnych.

Gdy tylko zaczniesz omawiać produkcję, uzyskaj od producenta arkusze danych dla wszystkich opcji i upewnij się, że wydajność spełnia Twoje wymagania. Oprócz tego nie mieszaj różnych typów izolatorów na jednej płytce. Rozbieżność we właściwościach materiałów może ostatecznie doprowadzić do problemów z produkcją i wydajnością.

^{Nie używaj wielu materiałów izolacyjnych w warstwach jednej płytki PCB.} 

Sprawdź zawartość szkła i żywicy

Jeżeli otrzymane przez Ciebie arkusze danych i informatory techniczne nie zawierają informacji o zawartości żywicy i typie włókna szklanego w płytce, zapytaj o nie producenta. W wysokonapięciowych płytkach PCB ważna jest duża zawartość żywicy, która pomaga zminimalizować występowanie pustych przestrzeni pomiędzy warstwami laminatu i zmienić skuteczne właściwości dielektryczne Twojej płytki. Aby żywica mogła lepiej wypełnić przestrzeń, potrzebne jest cienkie włókno szklane.

Gradienty napięcia dla układów żywicznych określa się w jednostkach [VDC/mil]. Upewnij się, że gradient napięcia układu żywicznego pomiędzy warstwami izolacji na płytce jest niższy, niż jego wartość zmniejszona przez starzenie. Dla gradientu napięcia przemiennego użyj wartości mniejszej, niż połowa wartości gradientu napięcia stałego.

Wybierz odpowiednie przewodniki

Gdy już ustalisz, jakiego laminatu i żywicy użyjesz w swojej płytce PCB, możesz przejść do wyboru elementów przewodzących. Odstępy między ścieżkami przewodzącymi i polami lutowniczymi są określone przez reguły bezpieczeństwa i normy. Na przykład norma MIL-STD-275 zaleca odstępy wynoszące 8 V/mil, jednakże wiele z tych norm wprowadzono dość dawno temu i nie zostały one uaktualnione o właściwości nowych materiałów, takich jak wysokonapięciowa folia poliimidowa (HVPF) czy Kapton, które mogą wytrzymać nawet 1000 V/mil.

Musisz także dopilnować, aby jakość miedzi spełniała Twoje wymagania. Wybierz dla swoich przelotek taką wagę miedzi, która pozwoli im wytrzymać zarówno obciążenia elektryczne, jak i mechaniczne. Przelotki o wadze miedzi 1-3 oz mogą ulec awarii przy jakimkolwiek przepięciu, a przelotki o wadze 1-2 oz są podatne na obciążenia mechaniczne. Nawet niewielkie zwiększenie wagi miedzi poprawi żywotność Twojej płytki.

^{Zanim skierujesz swój projekt do produkcji, pamiętaj o określeniu odpowiedniej wagi miedzi. Niska waga nie sprawdzi się w zastosowaniach wysokonapięciowych.} 

Zapytaj o wykończenie powierzchni

Na koniec zapytaj producenta o wykończenie powierzchni płytki. Jej słaba jakość, na przykład wybrzuszenia, drobiny pyłu, nierówności czy zanieczyszczenia zwiększają ryzyko wystąpienia wyładowań łukowych i zaprzepaszczają cały kosztowny proces wyboru materiałów. Nierówne miejsca lub rysy na elementach przewodzących tworzą obszary, w których kumuluje się natężenie pola elektrycznego, wskutek czego wyładowania łukowe pojawiają się przy niższych napięciach. Upewnij się, że Twoje płytki będą w czasie produkcji zabezpieczone przed uszkodzeniami, które mogłyby wpłynąć na wydajność ich pracy pod wysokim napięciem.

^{Zarysowania na warstwach miedzi zwiększają ryzyko wyładowań łukowych.}

Chociaż wybieranie dielektryków i przewodników to proces droższy niż wybór włóczki, wcale nie musi on być też trudniejszy. Użycie narzędzi projektowych, które zarządzają Twoimi wymaganiami dotyczącymi wydajności i tolerancji oraz zbierają je w jednym miejscu, pozwoli Ci z łatwością określić, czego potrzebujesz, i oszczędzić pieniądze na tym, co nie jest Ci potrzebne. Oprogramowanie CAD do projektowania elektroniki, takie jak Altium Designer^® i Altium Vault^®, bardzo upraszcza zarządzanie projektem i integrację łańcucha dostaw, dzięki czemu możesz szybciej skończyć projektowanie płytki drukowanej i wrócić do robienia na drutach, biegania lub jakiegokolwiek innego projektu, który akurat bardziej Cię interesuje.

Masz pytanie dotyczące materiałów do projektów obwodów wysokonapięciowych? Skontaktuj się z ekspertem z firmy Altium.