Thiết kế PCB cho Điện áp cao: Các lớp PCB

Chị gái tôi từng trang trí bánh kem như một dự án 4-H, trong khi tôi chăm sóc gà và lắp ráp máy tính. Cô ấy phải tạo ra ít nhất sáu chiếc bánh “chất lượng trưng bày” mỗi năm, cộng với tất cả các phiên bản không hoàn hảo. Hóa ra bạn thực sự có thể cảm thấy mệt mỏi với việc ăn bánh, vì vậy cuối cùng bạn chỉ cần lấy hình dạng styrofoam và trang trí chúng. Điều này cho bạn cơ hội để thực hành thiết kế trước khi bạn thực sự áp dụng nó lên một chiếc bánh thực sự. Việc làm cho thiết kế đúng có thể mất đến mười hai lần thử, và ngay cả khi đó, một sai lầm nhỏ trong khi bạn đang trang trí có thể phá hỏng toàn bộ.

Để có một phép so sánh ngon miệng, bạn có thể coi một PCB như một chiếc bánh. Bảng mạch là bánh, nhưng bạn cần có dây đồng, hàn, và lớp phủ bảo vệ, giống như các kiểu kem trang trí khác nhau, để kết hợp tất cả lại với nhau. Bạn cần quyết định bạn sẽ sử dụng những vật liệu nào để bạn có thể chắc chắn thiết kế của mình sẽ hoạt động. Và giống như kem trang trí, một sai lầm nhỏ ở bất kỳ giai đoạn nào biến một thiết kế tuyệt vời thành một đống lộn xộn đáng buồn, đặc biệt là khi bạn đang làm việc với điện áp cao.

Thiết kế bảng mạch đồng dày

Vì đồng nhẹ hơn thất bại ở mức độ căng thẳng cơ học và nhiệt độ thấp hơn, bạn nên xem xét sử dụng đồng nặng hơn cho các đường dẫn và pad. Với thiết kế PCB đồng nặng, bạn cần sử dụng các lớp laminate dày nhất có thể. Không giống như trong bánh, bọt khí trong laminate không phải là mềm mại và dễ chịu. Trong trường hợp này, chúng gây ra sự đánh thủng điện môi, và giảm điện áp định mức của bảng mạch. Bạn có thể giảm thiểu khoảng trống không khí bằng cách sử dụng prepreg tốt, như 2113 hoặc 1080, có hàm lượng nhựa cao và hạt thủy tinh nhỏ.

Bạn hiếm khi muốn trộn lẫn laminate với rủi ro tạo ra sự không phù hợp về vật liệu hoặc khoảng trống trong quá trình sản xuất, nhưng đôi khi nó có thể hoạt động để thay thế một lớp prepreg bằng HVPF. Bạn nên tiến hành một cách cẩn thận, giống như trộn lớp bánh sô cô la và bánh cà rốt.

Lập kế hoạch cho mặt nạ hàn

Mặt nạ hàn (đôi khi được gọi là "mặt nạ chống hàn" hoặc "mặt nạ chống hàn") giống như trang trí trên lớp kem cơ bản. Nó được áp dụng trên các xem xét PCB đồng nặng trên các đường dẫn của bạn để ngăn chặn hư hại do oxy hóa, điều này đặc biệt quan trọng đối với PCB điện áp cao.

Giống như lớp phủ bánh, lớp chống hàn rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nó không chảy, nhưng điện áp đánh giá cho lớp chống hàn giảm đáng kể khi nhiệt độ hoạt động tăng lên.

Lớp chống hàn tiêu chuẩn không đồng nhất, nghĩa là chúng thường xuyên có lỗ nhỏ hoặc các khoảng trống nhỏ khác dọc theo mép của các đường dẫn sau khi lớp chống hàn được áp dụng. Rất dễ cho các hạt và các chất ô nhiễm khác bị mắc kẹt trong những khu vực này của lớp chống hàn, và cũng giảm bảo vệ điện áp hiệu quả.

Lớp chống dính hàn là một lựa chọn tốt nếu bạn chỉ sử dụng điện áp lên đến khoảng 1 kV. Bạn có thể sử dụng lớp chống hàn lên đến 5 kV, nhưng bạn không thể có các bản đệm hoặc đường dẫn gần nhau ở bất cứ đâu trên bảng mạch. Điện áp chống quá cung cho lớp chống hàn UV khoảng 500 V/mil với độ dày thông thường của chúng là 0.7-1.5 mil.

Đối với mạch điện áp trung bình, bạn nên áp dụng lớp mặt nạ hàn từ hai đến ba lần. Việc áp dụng thêm sẽ đòi hỏi bạn cần có khoảng cách lớn hơn xung quanh các pad và lỗ trên bề mặt. Hãy hỏi nhà sản xuất ngay từ đầu quá trình thiết kế để bạn không mất nhiều thời gian sắp xếp lại bố cục sau này. Bạn cũng nên hỏi xem mặt nạ có thể được nung thêm trong lò (chỉ dành cho mặt nạ UV) và/hoặc có thể được "tăng cường" UV (dành cho mặt nạ UV và mặt nạ đã nung). Việc nung thêm sẽ làm cho mặt nạ cứng và mạnh hơn.

Bạn cũng nên lên kế hoạch cho bề mặt của bảng mạch để tính đến bất kỳ cạnh nào được phay. Việc phay có thể làm vỡ lớp chống hàn và gây ra các lỗi làm giảm điện áp chịu đựng tổng thể. Hãy nghĩ đến việc viết một thông điệp trên lớp kem, bạn không muốn nó tràn ra ngoài cạnh, vì vậy bạn cần một chút khoảng cách đệm. Ngay cả 0,25 mm cũng đủ để giúp bảo vệ mặt nạ hàn khỏi các cạnh đã được phay, nhưng bạn nên tăng khoảng cách với đồng dày cho các bảng mạch điện áp cao. Khoảng trống bổ sung đó cung cấp đủ không gian để mặt nạ hàn phủ kín đồng hoàn toàn và tăng cường điện môi hiệu quả.

Bạn có thể phủ lớp chống hàn bằng cách đặt hai lớp lên bề mặt của bảng mạch, giống như việc đặt một lớp kem nhỏ rồi đến lớp trang trí. Hãy áp dụng các lớp phủ ở các góc vuông góc trên bảng mạch để giảm thiểu kích thước của các khoảng trống được tạo ra trong quá trình phủ? Điều này sẽ giúp giảm đáng kể sự hư hại do tia lửa điện và hiện tượng corona đối với bảng mạch.

Lớp chống hàn có khả năng bị bong ra nếu nó được cắt, vì vậy bạn nên thiết kế một vùng đệm, thay vì để lớp chống hàn chảy qua các cạnh như kem phủ.

Sử dụng Lớp Phủ

Có những lớp phủ khác bạn có thể sử dụng trên phía trên của bảng mạch in để bảo vệ các đường dẫn đồng, và tăng giá trị điện môi trên bề mặt của bảng mạch.

Lớp phủ phổ biến nhất là lớp phủ Kapton, có giá trị điện môi cao giúp giảm hiệu ứng corona và tăng điện áp chịu đựng qua cung. Kapton được cắt và khoan trước, sau đó được ép lên bảng mạch của bạn bằng keo acrylic. Bạn có thể lấy các tờ giữa 1-5 mil với đánh giá 2-3 kV, và bạn có thể sử dụng nhiều lớp.

Lớp Kapton của bạn cần được thiết kế cho phương pháp sản xuất phù hợp vì các lỗ mở pad thường được khoan. Điều đó có nghĩa là các lỗ mở cần phải tròn, với kích thước và khoảng cách tính toán cho dung sai sản xuất. Có thể sử dụng máy CNC để phay các lỗ mở hình dạng khác, nhưng nó chậm và tốn kém.

Bạn cũng có thể sử dụng Mylar hoặc HVPF làm lớp phủ bên ngoài, tùy thuộc vào nhà sản xuất của bạn có thể cung cấp gì.

Nếu bạn không lên kế hoạch cho vật liệu và thiết kế cho các đường dẫn và lớp phủ, bạn có thể sẽ phải bỏ đi toàn bộ.

Giao tiếp với nhà sản xuất của bạn

Hầu như mọi khía cạnh của việc bảo vệ bề mặt của bảng mạch điện áp cao của bạn phụ thuộc vào vật liệu sản xuất hoặc dung sai. Hãy chắc chắn bạn đã làm rõ tất cả những chi tiết đó trước khi bạn cam kết với thiết kế bảng mạch của mình, nếu không bạn sẽ phải bỏ đi một lượng công việc lớn. Nếu vật liệu và khoảng cách không được truyền đạt rõ ràng, nhà sản xuất có thể sử dụng một phương pháp rẻ hơn không đủ mạnh để xử lý điện áp cao trên bảng mạch.

Khi bạn làm việc với nhà sản xuất của mình, hãy đảm bảo rằng họ có khả năng xử lý các vật liệu và thông số kỹ thuật sản xuất của thiết kế bảng mạch của bạn. Bạn nên chỉ rõ liệu bạn có cần đến quá trình ngâm chân không, chữa trị áp suất hay thêm các lần nung bổ sung cho bảng mạch và lớp phủ của mình hay không. Cũng rất hữu ích khi nghiên cứu về kiểm soát chất lượng và lịch sử sản phẩm điện áp cao của họ. Xác minh các tiêu chuẩn về vệ sinh và chuẩn bị bề mặt của họ để ngăn chặn sự ô nhiễm và đảm bảo chất lượng bám dính trước khi áp dụng các lớp phủ và liên kết.

Cuối cùng, hãy đảm bảo rằng thiết kế của bạn đáp ứng các dung sai được chỉ định bởi các hạn chế sản xuất của họ. Nếu bạn không làm vậy, bạn có thể sẽ phải vứt bỏ một thiết kế ban đầu đẹp đẽ. Mặc dù không có quy tắc kiểm tra trang trí bánh, bạn có thể thiết lập chúng cho các lớp phủ trên PCB của mình. Dung sai từ nhà sản xuất của bạn có thể được bao gồm trong kiểm tra quy tắc cho thiết kế của bạn. Phần mềm CAD PCB, như Altium Designer^®, thậm chí còn bao gồm kiểm tra khoảng cách 3D trong trường hợp bạn có yêu cầu chặt chẽ về độ dày của đường dẫn. Bắt đầu là dễ dàng, và bắt đầu tạo ra những tác phẩm chất lượng cao của riêng bạn.

Bạn có câu hỏi về thiết kế 3D hoặc chất chống hàn? Liên hệ với chuyên gia tại Altium.