Desenhando uma PCB para Alta tensão: Camadas da PCB

Minha irmã costumava decorar bolos como um projeto 4-H, enquanto eu mostrava galinhas e montava um computador. Ela tinha que criar pelo menos seis bolos de “qualidade de exposição” por ano, além de todas as versões que não saíam perfeitas. Acontece que você pode realmente se cansar de comer bolo, então eventualmente você apenas usa formas de isopor e decora essas. Isso te dá a chance de praticar o design antes de realmente aplicá-lo em um bolo de verdade. Acertar o design pode levar uma dúzia de tentativas, e mesmo assim, um pequeno erro enquanto você está decorando pode arruinar tudo.

Para uma analogia saborosa, você pode pensar em uma PCB como um bolo. A placa é o bolo, mas você precisa de trilhas de cobre, solda e revestimentos, como diferentes estilos de cobertura, para juntar tudo. Você precisa decidir quais materiais vai usar para poder ter certeza de que seu design funcionará. E como a cobertura, um pequeno erro em qualquer estágio transforma um design fabuloso em uma triste bagunça, especialmente quando você está trabalhando com alta tensão.

Projetando placas de cobre pesado

Porque o cobre mais leve falha sob menor estresse mecânico e térmico, você deve considerar um cobre mais pesado para as trilhas e pads. Com designs de PCB de cobre pesado, você precisará usar as camadas mais espessas de laminado que puder. Diferente de um bolo, bolhas de ar no laminado não são fofas e agradáveis. Neste contexto, elas causam a quebra dielétrica, e a classificação de tensão, da placa diminuir. Você pode minimizar espaços de ar com um bom prepreg, como 2113 ou 1080, que têm alto conteúdo de resina e pequenas partículas de vidro.

Raramente você vai querer misturar laminados pelo risco de criar incompatibilidades de materiais ou vazios durante a fabricação, mas ocasionalmente pode funcionar substituir uma camada de prepreg por HVPF. Você deve proceder com cautela, como ao misturar camadas de bolo de chocolate e de cenoura.

Planejando para máscaras de solda

Máscara de solda (às vezes chamada de "máscara de parada de solda" ou "resistência de solda") é como a decoração em cima do glacê base. É aplicada sobre as considerações de PCB de cobre pesado em suas trilhas para prevenir danos por oxidação, o que é especialmente importante para PCBs de alta tensão.

Como a cobertura de um bolo, a máscara de solda é muito sensível à temperatura. Ela não derrete, mas a classificação de tensão para uma máscara de solda cai significativamente à medida que a temperatura operacional aumenta.

As resistências padrão de solda não são coesas, o que significa que frequentemente apresentam poros ou outras pequenas cavidades ao longo da borda das trilhas após a aplicação da máscara. É fácil para partículas e outros contaminantes ficarem presos nessas regiões da máscara, diminuindo também a proteção efetiva contra tensão.

Máscaras de parada de solda são uma boa escolha se você estiver usando tensões de até cerca de 1 kV. Você pode conseguir usar uma máscara para até 5 kV, mas não pode ter pads ou trilhas espaçadas de forma próxima em qualquer parte da placa. A classificação de sobretensão para máscaras de solda UV é de cerca de 500 V/mil com sua espessura usual de 0.7-1.5 mil.

Para circuitos de média tensão, você deve aplicar duas ou três camadas de máscara de solda. As aplicações extras significarão que você precisará de mais espaço livre ao redor dos pads e furos na superfície. Consulte seu fabricante no início do processo de design para não perder muito tempo reorganizando o layout mais tarde. Você também deve perguntar se a máscara pode receber uma cura adicional no forno (apenas para máscaras UV) e/ou um "bump" UV (para máscaras curadas por UV e forno). A cura extra tornará a máscara mais dura e resistente.

Você também deve planejar a superfície da placa para levar em conta quaisquer bordas usinadas. A usinagem pode lascar a resistência de solda e introduzir defeitos que diminuem a tensão de arco voltaico. Pense como escrever uma mensagem em glacê, você não quer que ela escorra pela borda, então você precisa de um pouco de margem. Mesmo 0,25 mm é suficiente para ajudar a proteger a máscara de solda das bordas usinadas, mas você deve aumentar a distância com cobre pesado para placas de alta tensão. Esse espaço adicional dá espaço suficiente para a máscara de solda cobrir completamente o cobre e aumenta o dielétrico efetivo.

Você pode aplicar uma camada de máscara de solda sobreposta, colocando duas camadas sobre a superfície da placa, como se colocasse uma camada de migalhas de glacê e, em seguida, a decorativa. Faça com que os revestimentos sejam aplicados em ângulos ortogonais em toda a placa para minimizar o tamanho dos vazios criados durante o processo de revestimento. Isso ajudará significativamente a diminuir danos por arco elétrico e corona na placa.

A máscara de solda provavelmente irá lascar se for usinada, então você deve projetar uma zona de amortecimento, em vez de deixar a máscara fluir pelas bordas como uma cobertura.

Usando Revestimentos

Existem outros revestimentos que você pode usar no topo da sua placa de circuito impresso para proteger as trilhas de cobre e aumentar o valor dielétrico sobre a superfície da placa.

O mais comum é um revestimento de Kapton, que possui um alto valor dielétrico que diminui os efeitos de corona e aumenta a tensão de arco. O Kapton é pré-usinado e perfurado, depois pressionado sobre a sua placa com uma cola acrílica. Você pode obter folhas entre 1-5 mil com classificações de 2-3 kV, e pode usar múltiplas camadas.

Sua camada de Kapton precisa ser projetada para o método de fabricação apropriado, uma vez que as aberturas dos pads são geralmente perfuradas. Isso significa que as aberturas precisam ser redondas, com dimensionamento e espaçamento que levem em conta as tolerâncias de fabricação. É possível fresar aberturas de outras formas com CNC, mas é lento e caro.

Você também pode usar Mylar ou HVPF como revestimentos superiores, dependendo do que seu fabricante pode fornecer.

Se você não planejar os materiais e o design para trilhas e revestimentos, provavelmente terá que descartar tudo.

Comunique-se com seu fabricante

Quase todos os aspectos da proteção da superfície da sua placa de alta tensão dependem dos materiais de fabricação ou tolerâncias. Certifique-se de ter esclarecido todas essas especificidades antes de se comprometer com o design da sua placa, ou você acabará descartando uma quantidade enorme de trabalho. Se os materiais e espaçamentos não forem claramente comunicados, o fabricante pode usar uma abordagem mais barata que não seja robusta o suficiente para lidar com a alta tensão em toda a placa.

Ao trabalhar com seu fabricante, certifique-se de que ele tenha capacidade para lidar com os materiais e especificações de fabricação do seu design de placa. Você deve especificar se precisará de impregnação a vácuo, cura sob pressão ou assados adicionais de sua placa e revestimentos. Também é útil pesquisar sobre o controle de qualidade deles e o histórico de produtos de alta tensão. Verifique os padrões deles para limpeza e preparações de superfície para prevenir contaminação e garantir uma adesão de qualidade antes que revestimentos e colagens sejam aplicados.

Por fim, garanta que seu design atenda às tolerâncias especificadas pelas restrições de fabricação deles. Se não fizer isso, é provável que acabe descartando um design que começou lindo. Embora não existam verificações de regras para decoração de bolos, você pode configurá-las para os revestimentos em sua PCB. Tolerâncias do seu fabricante podem ser incluídas na verificação de regras para o seu design. Software CAD para PCB, como Altium Designer^®, até incluem verificações de espaçamento 3D caso você tenha requisitos apertados em relação à espessura da trilha. É fácil começar e produzir suas próprias obras-primas de qualidade de exposição.

Tem uma pergunta sobre design 3D ou resistências de solda? Entre em contato com um especialista em Altium.