Выбор материалов для проектирования и компоновки печатных плат (PCB) высокого напряжения

Где-то ниже всех компонентов на приведенном выше изображении представлена печатная плата (PCB), изготовленная из жестких многослойных материалов, которые должны соответствовать определенным действующим стандартам для удовлетворения основных потребностей применительно к качеству работы. Многие начинающие разработчики приборов силовой электроники, в том числе разработчики высоковольтных систем электропитания, просто запрашивают у производителя стандартную многослойную структуру и сразу приступают к созданию компоновки печатной платы. Это вполне приемлемый (и часто рекомендуемый) подход для многих типовых изделий. В качестве примера можно назвать небольшие платы микроконтроллеров.

Что же плохого в том, чтобы использовать такой подход при работе с материалом для печатных плат высокого напряжения?

Печатные платы высокого напряжения подвергаются воздействию определенных факторов, связанных с обеспечением безопасности и надежности, которые не характерны для большинства других плат. Если ваша производственная компания специализируется на печатных платах высокого напряжения и хранит материалы на складе, то, скорее всего, вы можете порекомендовать набор материалов, а также стандартную многослойную структуру, которые можно использовать для определенных диапазонов напряжения и частот. Если вам нужно выбрать свои собственные материалы, следуйте приведенным ниже рекомендациям, которые помогут вам подобрать надлежащие материалы.

Выбор подходящих материалов для печатных плат высокого напряжения

Когда мы говорим о «высоком напряжении», то обычно подразумевается диапазон кВ, либо постоянного, либо переменного тока. В технических описаниях ламинатов указываются несколько свойств материалов, которые могут помочь определить наилучшие ламинаты для вашей печатной платы, которые способны обеспечивать необходимый уровень надежности при высоком напряжении. Ниже приведены несколько примеров материалов подложки, используемых в печатных платах высокого напряжения.

• BT Epoxy (термореактивная смола)
• Жесткие ламинаты, отверждаемые фенолформальдегидной смолой
• Высоковольтный тефлон (HVPF)

Если вы хотите использовать другой набор материалов, обратите внимание на следующие характеристики:

Показатель стойкости к пробою (CTI)

Одним из важных общих показателей, используемых для количественной оценки способности конструкции выдерживать диэлектрический пробой, является ее показатель стойкости к пробою (CTI). CTI определяет напряжение, при котором изоляционный материал, такой как подложка печатной платы, начинает разрушаться рядом с поверхностью. Во время разрушения материал начинает обугливаться и становится более проводящим, что увеличивает ток утечки и со временем ускоряет процесс разрушения.

В отраслевых стандартах, таких как IEC-60950-1 и IPC-2221, указаны некоторые рекомендуемые материалы для печатных плат высокого напряжения на основе значений CTI. Эти значения также можно определить с помощью ряда стандартных тестов, в частности UL 746A, IEC 60112 или ASTM D3638. Значения CTI относятся к шести категориям уровня производительности (PLC):

По сути, CTI позволяет вам оценить ток утечки между двумя проводниками, когда расстояние между этими проводниками становится очень маленьким. Следует отметить, что деградация, выявляемая с помощью CTI, — это не то же самое, что диэлектрический пробой, приводящий к ионизации и последующему скачку тока. Эти номинальные значения намного превышают номинальное значение CTI, которое обычно находится на уровне кВ. Конструкциям, подвергаемым воздействию таких напряжений, потребуется, как минимум, материал PLC 0 для обеспечения долгосрочной надежности.

Содержание смолы, переплетение стеклоткани и отвердитель

Система материалов, используемая в конструкции, особенно содержание смолы и отвердитель, будет влиять на надежность всей конструкции. В нижней части конструкции печатной платы высокого напряжения можно использовать ламинаты FR4, так как они имеют низкие значения CTI (~200–300 В пост. тока), несмотря на высокие значения напряжения пробоя. Устойчивость материала печатной платы высокого напряжения с течением времени зависит как от содержания смолы, так и от отвердителя. Для печатных плат высокого напряжения это важно по двум причинам:

• Повреждение токопроводящих анодных нитей (CAF), при котором высокое напряжение вызывает электромиграцию и электрохимическое выращивание дендритных структур между проводниками, находящимися под высоким напряжением.
• Пустоты при малом содержании смолы, повышающие вероятность деградации между слоями в многослойной структуре печатной платы. В высоковольтных конструкциях обычно предпочтительно более высокое содержание смолы, что означает более слабое переплетение волокон.

В ламинатах FR4 на основе дициандиамида (DICY) значение температуры стеклования (Tg) может быть довольно высоким, достигая порядка 180 °C. Однако такие смоляные системы могут раньше выйти из строя при высоком градиенте напряжения, как показывают данные Isola (см. ниже). Хотя оба показателя могут иметь сходные значения CTI, интенсивность отказов с фенолоальдегидным отверждающим агентом будет более высокой, так как выращивание CAF в отвержденном ламинате замедляется.

Еще одним фактором обеспечения надежности плат высокого напряжения является переплетение стеклоткани. Более тонкое переплетение стеклоткани, например 1080, 2113 или 2116, является идеальным вариантом, а срок службы таких «рыхлых» вариантов, как 106 переплетений, может сократиться в долгосрочной перспективе. Такие переплетения по-прежнему обеспечивают растекание и проникновение смолы и одновременно требуемый уровень замедления CAF при более низком напряжении.

Отделка поверхности и вес меди

Качество меди также должно соответствовать техническим требованиям при высоком напряжении. Это включает в себя выбор веса меди и отделки поверхности. Независимо от того, используете вы чистую медь (не рекомендуется) или стандартную отделку поверхности, например ENIG, готовая поверхность должна быть максимально гладкой. Предпочтение отдается конструкциям с более гладкой поверхностью, поскольку шероховатая поверхность создает области, в которых может накапливаться статический заряд. При низком напряжении это не является существенной проблемой, так как напряженность поля между различными участками проводника будет слишком мала, чтобы вызвать дугу или диэлектрический пробой в воздушном пространстве. Выбранный вами производитель должен предоставить рекомендации на этот счет в отношении обработки готовых плат и наилучшего материала/толщины покрытия для требуемого веса меди.

Вес меди становится более важным фактором, когда речь заходит о сильноточных материалах. То есть, это напрямую связано с высоким напряжением, хотя далеко не во всех ситуациях. При более высоком значении тока вес меди должен быть больше, и, если токи превышают ~100 А в пределах крупной компоновки, в какой-то момент придется перейти на электрические шины. Номограмма IPC-2152 является подходящим документом при выборе размера проводников для вашей печатной платы. Однако следует отметить, что значения, рекомендуемые в этом стандарте, могут быть чрезмерно завышенными и не являются универсально применимыми для всех печатных плат.

Приступая к компоновке печатных плат высокого напряжения

В конце дня вы выбираете ламинаты, которые будут поддерживать вашу плату и способны длительно функционировать при высоком напряжении. Разобравшись со слоями ламината, весом меди и покрытием для печатной платы, можно перейти к планированию многослойной структуры и компоновке печатной платы. Многослойную структуру необходимо создавать в тесном взаимодействии с изготовителем, который обычно может предложить другой ламинат, если выбранный вами вариант отсутствует.

Затем нужно убедиться, что ваша компоновка соответствует основным правилам техники безопасности и обеспечения надежности, которые определяют расстояние между проводниками в соответствии со стандартами безопасности. Стандарт IPC-2221 служит отправной точкой для большинства компоновок PCB на основе жестких плат. В свою очередь, для более надежных систем, таких как электронные приборы, применяемые в военных целях и в аэронавтике, MIL-STD-275 рекомендует устанавливать расстояние до 8 В/мил, хотя некоторые подобные стандарты уже устарели и не обновлялись с учетом новых материалов, например HVPF или Kapton, которые способны выдерживать 1000 В/мил. Обратите внимание на эти стандарты для печатных плат и на другие отраслевые стандарты (например, IEC): в них можно найти дополнительные рекомендации.

После того, как вы нашли материалы, и готовы к разработке компоновки новой печатной платы высокого напряжения, рассмотрите применение программного обеспечения ECAD компании Altium Designer^®. Если у вас уже есть файлы, которые можно предоставить производителю, платформа Altium 365^™ позволит упростить совместную работу над проектами. В этой программе есть все, что вам нужно для проектирования и производства печатных плат высокого напряжения.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .