Проектирование печатной платы для высокого напряжения: слои печатной платы

Моя сестра украшала торты как проект в рамках 4-H, в то время как я занимался курами и собирал компьютер. Ей нужно было создать как минимум шесть тортов «качества для выставки» в год, плюс все те версии, которые не получались идеальными. Оказывается, можно действительно устать от еды тортов, поэтому в конечном итоге ты просто используешь формы из пенопласта и украшаешь их. Это дает возможность попрактиковаться в дизайне, прежде чем наносить его на настоящий торт. Чтобы дизайн получился правильным, может потребоваться дюжина попыток, и даже тогда малейшая ошибка во время украшения может испортить все.

Для вкусной аналогии можно представить печатную плату как торт. Плата - это торт, но вам нужны медные дорожки, пайка и защитные покрытия, как разные виды глазури, чтобы все это объединить. Вам нужно решить, какие материалы вы собираетесь использовать, чтобы быть уверенным, что ваш дизайн будет работать. И как и в случае с глазурью, малейшая ошибка на любом этапе превращает великолепный дизайн в печальный беспорядок, особенно когда вы работаете с высоким напряжением.

Проектирование плат с толстым медным покрытием

Поскольку медь меньшей толщины выходит из строя при меньших механических и тепловых нагрузках, вам следует рассмотреть использование более толстой меди для дорожек и контактных площадок. В конструкциях печатных плат с толстой медью вам потребуется использовать самые толстые слои ламината, которые только можно. В отличие от торта, воздушные пузыри в ламинате не являются пушистыми и приятными. В данном контексте они вызывают электрический пробой и снижение напряжения, на которое рассчитана плата. Вы можете минимизировать воздушные зазоры с помощью хорошего препрега, например, 2113 или 1080, которые имеют высокое содержание смолы и мелкие стеклянные частицы.

Редко когда хочется смешивать ламинаты из-за риска создания несоответствий материалов или пустот во время изготовления, но иногда это может сработать, если заменить слой препрега на HVPF. Следует действовать с осторожностью, как при смешивании слоев шоколадного и морковного торта.

Планирование защитных масок

Защитная маска (иногда называемая "маска для предотвращения пайки" или "защита от пайки") подобна декорации на верхнем слое крема. Она наносится поверх рассмотренных выше элементов печатной платы с толстой медью на ваших дорожках, чтобы предотвратить повреждение от окисления, что особенно важно для печатных плат высокого напряжения.

Как глазурь, защитное покрытие для пайки очень чувствительно к температуре. Оно не плавится, но номинальное напряжение для защитного покрытия значительно снижается с увеличением рабочей температуры.

Стандартные средства защиты от пайки не являются цельными, что означает, что они часто имеют микропоры или другие маленькие пустоты вдоль краев дорожек после нанесения покрытия. Легко захватить частицы и другие загрязнения в этих областях покрытия, что также снижает эффективную защиту от напряжения.

Маски для остановки пайки являются хорошим выбором, если вы используете напряжение только до примерно 1 кВ. Возможно, вам удастся использовать маску до 5 кВ, но вы не можете иметь близко расположенные контактные площадки или дорожки где-либо на плате. Номинальное напряжение пробоя для УФ-защитных покрытий составляет около 500 В/мил при их обычной толщине 0.7-1.5 мил.

Для цепей среднего напряжения вам следует нанести два или три слоя защитной маски для пайки. Дополнительные слои потребуют большего расстояния вокруг контактных площадок и отверстий на поверхности. Спросите у вашего производителя на раннем этапе проектирования, чтобы вам не пришлось терять много времени на перестройку компоновки позже. Также вы должны спросить, можно ли маске дать дополнительную термообработку (только для UV масок) и/или UV "подтяжку" (для UV и термообработанных масок). Дополнительная обработка сделает маску более твердой и прочной.

Вы также должны спланировать поверхность платы с учетом любых фрезерованных краев. Фрезерование может повредить защитный слой от пайки и ввести дефекты, снижающие напряжение пробоя. Подумайте об этом, как о написании сообщения глазурью, вы не хотите, чтобы оно стекло с края, поэтому вам нужен небольшой запас. Даже 0,25 мм достаточно, чтобы защитить маску от фрезерованных краев, но вы должны увеличить расстояние при использовании тяжелой меди для плат высокого напряжения. Это дополнительное пространство дает достаточно места, чтобы маска полностью покрыла медь и увеличила эффективную диэлектрическую прочность.

Вы можете нанести защитное покрытие на маску пайки, положив два слоя на поверхность платы, как если бы вы наносили первый слой крема, а затем декоративный. Нанесите покрытия под ортогональными углами по всей плате, чтобы минимизировать размер воздушных пустот, образующихся в процессе покрытия. Это значительно поможет уменьшить дуговые разряды и повреждения от короны на плате.

Маска пайки, скорее всего, начнет отслаиваться, если ее прорезать, поэтому вам следует спроектировать буферную зону, вместо того чтобы маска заходила за края, как глазурь.

Использование защитных покрытий

Существуют и другие защитные покрытия, которые вы можете использовать на верхней части вашей печатной платы для защиты медных дорожек и увеличения диэлектрической прочности поверхности платы.

Наиболее распространенным является покрытие Kapton, которое обладает высоким диэлектрическим значением, уменьшающим эффекты короны и увеличивающим напряжение пробоя. Kapton предварительно прорезается и сверлится, затем прижимается к вашей плате с помощью акрилового клея. Вы можете получить листы толщиной от 1 до 5 mil с рейтингом 2-3 кВ, и вы можете использовать несколько слоев.

Ваш слой из каптона должен быть разработан с учетом соответствующего метода производства, поскольку отверстия под контактные площадки обычно сверлятся. Это означает, что отверстия должны быть круглыми, с размерами и расстояниями между ними, учитывающими допуски производства. Возможно, вырезать отверстия других форм с помощью ЧПУ-фрезерования, но это медленно и дорого.

Также можно использовать майлар или HVPF в качестве покрытий, в зависимости от того, что может предоставить ваш производитель.

Если вы не спланируете материалы и дизайн для дорожек и покрытий, скорее всего, придется выбросить всю конструкцию.

Общайтесь с вашим производителем

Практически каждый аспект защиты поверхности вашей платы высокого напряжения зависит от материалов производства или допусков. Убедитесь, что вы уточнили все эти детали перед тем, как приступить к дизайну платы, иначе вы рискуете потерять огромное количество работы. Если материалы и расстояния не будут четко согласованы, производитель может использовать более дешевый подход, который не будет достаточно надежным для выдерживания высокого напряжения на плате.

При работе с вашим производителем убедитесь, что он обладает возможностями для работы с материалами и техническими характеристиками вашей платы. Вы должны указать, потребуется ли вам вакуумная пропитка, давленое отверждение или дополнительные прогревы вашей платы и покрытий. Также полезно исследовать их контроль качества и историю продукции для работы с высоким напряжением. Проверьте их стандарты чистоты и подготовки поверхности, чтобы предотвратить загрязнение и обеспечить качественное сцепление перед нанесением покрытий и склеиванием.

Наконец, убедитесь, что ваш дизайн соответствует допускам, указанным в производственных ограничениях. Если вы этого не сделаете, скорее всего, придется отказаться от дизайна, который изначально казался прекрасным. Хотя проверки правил украшения тортов отсутствуют, вы можете настроить их для покрытий вашей печатной платы. Допуски от вашего производителя могут быть включены в проверку правил для вашего дизайна. Программное обеспечение для проектирования печатных плат, такое как Altium Designer^®, даже включает проверки 3D зазоров в случае, если у вас есть строгие требования к толщине дорожек. Начать работу легко, и вы можете начать создавать свои собственные шедевры высокого качества.

Есть вопросы о 3D-дизайне или паяльных резистах? Свяжитесь с экспертом в Altium.