Corrente de Fuga e Ruptura em PCB em Design de Alta Tensão

Lei de Ohm: é uma ferramenta maravilhosa que temos para analisar todos os tipos de circuitos. Essa simples relação se aplica a tantos dispositivos que é bastante fácil explicar muitos aspectos do comportamento dos componentes com essa única equação. No entanto, com PCBs de alta tensão, temos que usar outras ferramentas além da Lei de Ohm para entender alguns aspectos importantes do comportamento do circuito. Adicione a Lei de Paschen e as Leis de Kirchoff, e você terá tudo o que precisa para entender os princípios de operação de PCBs de alta tensão.

Um efeito importante que ocorre em alta tensão é a corrente de fuga do PCB. Esse efeito é explicado de maneira bastante simples usando a Lei de Ohm: se há uma diferença de potencial entre dois pontos na sua placa, a corrente entre esses dois pontos será menor quando a resistência for maior. À medida que seu PCB é colocado em operação, a corrente de fuga pode mudar por várias razões. Seu trabalho como designer é antecipar esses problemas e escolher materiais apropriados para minimizar a corrente de fuga.

O que é Corrente de Fuga em PCB?

No mundo do design de alta tensão, seja falando de PCBs em geral ou do design de sistemas de alta tensão, a corrente de fuga resulta de uma diferença de potencial DC entre dois pontos. Em uma PCB, dois condutores com uma diferença de potencial são separados por um substrato isolante, e alguma corrente pode fluir através do substrato entre esses dois condutores. Uma diferença de potencial de ~10 V é suficiente para produzir ~10 nA de corrente de fuga, dependendo da condutividade do substrato.

A porosidade dos substratos de tecido de fibra e dos materiais de máscara de solda faz com que eles absorvam água durante a fabricação, e essa absorção de água continua ao longo do tempo durante a operação. A umidade pode estar presente no material de prepreg de vidro epóxi e em quaisquer microfissuras no substrato antes da fabricação. Água e outros líquidos podem ser absorvidos durante os processos de fabricação úmida, e a umidade pode difundir-se para a superfície da PCB durante o armazenamento.

Uma PCB implantada em um ambiente de alta umidade absorverá água até que o conteúdo de umidade esteja saturado. Substratos de PCB com maior conteúdo de umidade terão maior corrente de fuga, pois a água e outros líquidos usados durante os processos de fabricação de PCB são polares, portanto, tendem a ter alta condutividade. Com o tempo, a corrente de fuga da PCB em toda a placa aumentará, mesmo que a placa seja preparada em um ambiente livre de umidade e fortemente desgaseificada antes da implantação. Além da umidade, pequenas partículas de poeira podem se acumular na placa, e a poeira se acumulará mais rapidamente em áreas onde o campo elétrico é maior. Umidade e poeira contribuem para aumentos na corrente de fuga da PCB ao longo do tempo. Acúmulo de umidade e poeira também tornam a superfície mais suscetível ao arco elétrico, ou seja, o campo de ruptura é menor na superfície da placa.

A poeira pode levar a um aumento da corrente de fuga da PCB

Uma grande corrente de fuga entre os nós de um componente com entrada de alta impedância pode levar a uma queda bastante significativa na tensão de entrada vista pelo componente, similar à queda IR. Como exemplo, considere uma corrente de fuga na PCB de 100 nA desviada através dos terminais positivo e negativo de um componente com impedância de entrada de 1 MOhm—de acordo com a lei de Ohm, isso diminuirá a tensão de entrada em 0,1 V. Isso deve ser considerado juntamente com a corrente de fuga da PCB ao determinar critérios de falha para sua placa de alta tensão.

Distância de Escoamento, Distância de Isolamento e Corrente de Fuga

A corrente de fuga já pode ocorrer através de um substrato isolante simplesmente devido a uma diferença de tensão DC, mas a corrente de fuga também aumenta após uma quebra inicial ocorrer entre dois condutores carregados. No evento em que a quebra entre dois condutores de fato ocorra, carbono pode acumular-se ao longo da superfície da PCB. O trajeto que se forma ao longo de uma superfície carbonizada é bastante condutivo, o que aumenta a corrente de fuga entre dois pontos na placa com uma grande diferença de potencial. Carbonização extremamente séria, como quebra em uma atmosfera rica em carbono ou eventos repetidos de quebra, pode efetivamente formar um curto-circuito entre dois pontos na placa.

IPC 2221B é o padrão geral que abrange distâncias de escoamento e separação como uma função da tensão, nível de elevação e revestimento. Embora este padrão especifique essas distâncias como uma função da elevação, o verdadeiro parâmetro que determina o campo de ruptura é a pressão atmosférica para o ar entre condutores (de acordo com a lei de Paschen). O conteúdo de umidade no ar também afetará o campo de ruptura, bem como a potencialidade para o aumento da corrente de fuga ao longo do tempo. Esses fatores também afetam os requisitos de escoamento e separação; sistemas de alta tensão geralmente devem ser projetados com uma margem de segurança para reduzir a corrente de fuga.

Se sua placa for implantada em um ambiente úmido, quase não faz sentido remover qualquer umidade da sua placa acabada, pois ela simplesmente será reabsorvida pela placa uma vez que esteja em operação. Existem alguns revestimentos conformais isolantes para proteção contra umidade que são projetados para PCBs de alta tensão.

Para placas com problemas de poeira ou com resíduos remanescentes, um procedimento simples de lavagem é suficiente para remover contaminantes da sua PCB. Isso envolve escovar as placas com álcool isopropílico, seguido de enxágue com água desionizada e assar a placa a 85 °C por algumas horas. Você ainda deve ter cuidado ao usar solventes em placas com fluxos solúveis em água; misturar esses materiais pode deixar depósitos de sal após a placa ser secada e assada.

Você não deve limpar suas PCBs de alta tensão dessa maneira...

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