Ток утечки и пробой на печатных платах в конструкциях с высоким напряжением

Закон Ома: это замечательный инструмент, который мы имеем для анализа всех типов схем. Это простое соотношение применимо к такому большому количеству устройств, что с его помощью довольно легко объяснить многие аспекты поведения компонентов с помощью одного уравнения. Однако, когда речь идет о печатных платах высокого напряжения, нам приходится использовать другие инструменты в дополнение к закону Ома для понимания некоторых важных аспектов поведения схемы. Привлекая закон Пашена и законы Кирхгофа, вы получаете все необходимое для понимания принципов работы печатных плат высокого напряжения.

Один из важных эффектов, возникающих при высоком напряжении, - это утечка тока печатной платы. Этот эффект объясняется довольно просто с использованием закона Ома: если между двумя точками на вашей плате существует разность потенциалов, ток между этими двумя точками будет меньше, когда сопротивление выше. Когда ваша печатная плата введена в эксплуатацию, ток утечки может изменяться по ряду причин. Ваша задача как конструктора - предвидеть эти проблемы и выбрать подходящие материалы для минимизации тока утечки.

Что такое ток утечки печатной платы?

В мире проектирования высоковольтных устройств, будь то в общем о ПП (печатных платах) или о проектировании высоковольтных систем, ток утечки возникает из-за разности постоянного потенциала между двумя точками. На ПП два проводника с разностью потенциалов разделены изолирующим субстратом, и некоторое количество тока может протекать через субстрат между этими двумя проводниками. Разность потенциалов в ~10 В достаточна для создания ~10 нА тока утечки, в зависимости от проводимости субстрата.

Пористость субстратов из волоконной ткани и материалов для паяльной маски приводит к их впитыванию воды во время изготовления, и это впитывание воды продолжается со временем во время эксплуатации. Влага может присутствовать в материале эпоксидного стеклотекстолита и в любых микротрещинах субстрата до изготовления. Вода и другие жидкости могут быть абсорбированы во время влажных производственных процессов, а влага может диффундировать на поверхность ПП во время хранения.

Печатная плата, размещенная в условиях высокой влажности, будет поглощать воду до тех пор, пока содержание влаги не достигнет насыщения. Подложки печатных плат с более высоким содержанием влаги будут иметь более высокий ток утечки, поскольку вода и другие жидкости, используемые в процессах производства печатных плат, полярны, следовательно, они, как правило, обладают высокой проводимостью. Со временем ток утечки печатной платы по всей плате будет увеличиваться, даже если плата была подготовлена в условиях отсутствия влаги и тщательно выгазирована перед размещением. Помимо влаги, на плате могут накапливаться мелкие частицы пыли, причем пыль будет накапливаться быстрее в местах, где электрическое поле больше. Влага и пыль оба способствуют увеличению тока утечки печатной платы со временем. Накопление влаги и пыли также делает поверхность более подверженной дуговому разряду, то есть поле пробоя ниже по всей поверхности платы.

Пыль может привести к увеличению тока утечки печатной платы

Большой ток утечки между узлами компонента с высоким входным сопротивлением может привести к довольно значительному падению входного напряжения, воспринимаемого компонентом, аналогично падению напряжения IR. В качестве примера рассмотрим ток утечки печатной платы 100 нА, отклоняемый через положительный и отрицательный выводы компонента с входным сопротивлением 1 МОм — согласно закону Ома, это уменьшит входное напряжение на 0,1 В. Это следует учитывать наряду с током утечки печатной платы при определении критериев отказа для вашей высоковольтной платы.

Расстояние утечки, расстояние изоляции и ток утечки

Ток утечки может возникать через изоляционный субстрат уже из-за разницы постоянного напряжения, но ток утечки также увеличивается после первоначального пробоя между двумя заряженными проводниками. В случае, если пробой между двумя проводниками действительно происходит, углерод может накапливаться на поверхности печатной платы. Трек, который формируется вдоль углеродизированной поверхности, довольно проводящий, что увеличивает ток утечки между двумя точками на плате с высокой разностью потенциалов. Чрезвычайно серьезная углеродизация, такая как пробой в атмосфере, богатой углеродом, или повторяющиеся события пробоя, может эффективно формировать короткое замыкание между двумя точками на плате.

IPC 2221B - это общий стандарт, который охватывает расстояния утечки и изоляции в зависимости от напряжения, уровня высоты и покрытия. Хотя этот стандарт и определяет эти расстояния в зависимости от высоты, реальным параметром, определяющим поле пробоя, является атмосферное давление для воздуха между проводниками (согласно закону Пашена). Содержание влаги в воздухе также будет влиять на поле пробоя, а также на потенциал увеличения тока утечки со временем. Эти факторы также влияют на требования к расстояниям утечки и изоляции; системы высокого напряжения в целях безопасности и для снижения тока утечки обычно должны быть спроектированы с запасом.

Если ваша плата будет использоваться во влажной среде, почти нет смысла удалять из неё влагу после изготовления, так как она снова будет поглощена платой, как только она будет введена в эксплуатацию. Существуют некоторые изолирующие конформные покрытия для защиты от влажности, которые предназначены для печатных плат высокого напряжения.

Для плат с проблемами пыли или остатками загрязнений достаточно простой процедуры очистки, чтобы удалить загрязнители с вашей печатной платы. Это включает в себя очистку плат щеткой с изопропиловым спиртом, за которой следует промывка деионизированной водой и просушка платы при 85 °C в течение нескольких часов. Все же следует быть осторожным при использовании растворителей на платах с водорастворимым флюсом; смешивание этих материалов может оставить после сушки и запекания платы солевые отложения.

Вы не должны очищать ваши платы высокого напряжения таким образом...

Инструменты CAD и функции трассировки в Altium Designer^® идеально подходят для создания печатных плат для любого применения. Эти функции проектирования автоматически проверяют вашу компоновку на соответствие важным правилам проектирования, обеспечивая соответствие вашей платы важным стандартам по зазорам и просветам, а также стандартам утечки тока печатной платы. У вас также будет полный набор функций документации, которые помогут вам подготовиться к производству и сборке.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.