Dòng rò PCB và Sự cố Điện áp cao trong Thiết kế

Định luật Ohm: đây là một công cụ tuyệt vời mà chúng ta có để phân tích tất cả các loại mạch. Mối quan hệ đơn giản này áp dụng cho rất nhiều thiết bị đến mức rất dễ dàng để giải thích nhiều khía cạnh của hành vi linh kiện với một phương trình duy nhất. Tuy nhiên, với các PCB điện áp cao, chúng ta phải sử dụng các công cụ khác ngoài định luật Ohm để hiểu một số khía cạnh quan trọng của hành vi mạch. Khi kết hợp định luật Paschen và các định luật của Kirchoff, bạn có tất cả những gì bạn cần để hiểu các nguyên tắc hoạt động của các PCB điện áp cao.

Một hiệu ứng quan trọng xảy ra ở điện áp cao là dòng rò PCB. Hiệu ứng này được giải thích khá đơn giản bằng định luật Ohm: nếu có sự chênh lệch điện thế giữa hai điểm trên bảng mạch của bạn, dòng điện giữa hai điểm này sẽ thấp hơn khi điện trở cao hơn. Khi PCB của bạn được đưa vào hoạt động, dòng rò có thể thay đổi vì nhiều lý do. Nhiệm vụ của bạn, với tư cách là một nhà thiết kế, là dự đoán những vấn đề này và chọn lựa vật liệu phù hợp để giảm thiểu dòng rò.

Dòng Rò PCB là gì?

Trong thế giới thiết kế điện áp cao, dù chúng ta đang nói chung về PCB hay thiết kế hệ thống điện áp cao, dòng rò rỉ xuất phát từ sự chênh lệch điện áp một chiều giữa hai điểm. Trên một PCB, hai dẫn điện với sự chênh lệch điện áp được tách biệt bởi một vật liệu cách điện, và một số dòng điện có thể chảy qua vật liệu cách điện giữa hai dẫn điện này. Một chênh lệch điện áp khoảng ~10 V đủ để tạo ra ~10 nA dòng rò rỉ, tùy thuộc vào độ dẫn điện của vật liệu cách điện.

Sự xốp của vật liệu cơ sở dệt sợi và vật liệu mặt nạ hàn gây ra việc chúng hấp thụ nước trong quá trình sản xuất, và việc hấp thụ nước này tiếp tục diễn ra theo thời gian trong quá trình hoạt động. Độ ẩm có thể có mặt trong vật liệu prepreg kính epoxy và trong bất kỳ vết nứt vi mô nào trên vật liệu cơ sở trước khi sản xuất. Nước và các chất lỏng khác có thể được hấp thụ trong quá trình sản xuất ướt, và độ ẩm có thể lan vào bề mặt của PCB trong quá trình lưu trữ.

Một PCB triển khai trong môi trường có độ ẩm cao sẽ hấp thụ nước cho đến khi hàm lượng ẩm bão hòa. Các loại nền PCB có hàm lượng ẩm cao hơn sẽ có dòng rò rỉ cao hơn vì nước và các chất lỏng khác được sử dụng trong quá trình sản xuất PCB là cực, do đó chúng có xu hướng dẫn điện cao. Theo thời gian, dòng rò rỉ PCB trên toàn bảng mạch sẽ tăng lên, ngay cả khi bảng mạch được chuẩn bị trong môi trường không ẩm và được thoát khí mạnh mẽ trước khi triển khai. Ngoài độ ẩm, các hạt bụi nhỏ cũng có thể tích tụ trên bảng mạch, và bụi sẽ tích tụ nhanh hơn ở những khu vực có điện trường lớn hơn. Độ ẩm và bụi đều góp phần làm tăng dòng rò rỉ PCB theo thời gian. Sự tích tụ độ ẩm và bụi cũng làm cho bề mặt dễ bị hồ quang hơn, tức là, điện trường phá vỡ thấp hơn trên bề mặt của bảng mạch.

Bụi có thể dẫn đến tăng dòng rò rỉ PCB

Dòng rò lớn giữa các nút của một linh kiện với đầu vào có trở kháng cao có thể dẫn đến sự giảm đáng kể điện áp đầu vào mà linh kiện nhận được, tương tự như sự giảm điện áp IR. Ví dụ, xem xét một dòng rò PCB là 100 nA được chuyển hướng qua các dây dẫn dương và âm của một linh kiện với trở kháng đầu vào 1 MOhm—theo định luật Ohm, điều này sẽ làm giảm điện áp đầu vào 0.1 V. Điều này nên được xem xét cùng với dòng rò PCB khi xác định tiêu chí hỏng hóc cho bảng mạch điện áp cao của bạn.

Khoảng cách, Khoảng trống, và Dòng Rò

Dòng rò có thể đã xảy ra qua một chất cách điện đơn giản chỉ do sự chênh lệch điện áp DC, nhưng dòng rò cũng tăng lên sau khi một sự đột phá ban đầu xảy ra giữa hai dẫn điện được tích điện. Trong trường hợp đột phá giữa hai dẫn điện thực sự xảy ra, carbon có thể tích tụ dọc theo bề mặt của PCB. Đường dẫn hình thành trên bề mặt carbon hóa khá dẫn điện, làm tăng dòng rò giữa hai điểm trên bảng mạch với sự chênh lệch điện áp cao. Sự carbon hóa cực kỳ nghiêm trọng, như đột phá trong một bầu không khí giàu carbon hoặc các sự kiện đột phá lặp đi lặp lại, có thể hiệu quả tạo ra một mạch ngắn giữa hai điểm trên bảng mạch.

IPC 2221B là tiêu chuẩn chung bao gồm khoảng cách chống rò điện và khoảng cách cách điện dựa trên điện áp, độ cao và lớp phủ. Mặc dù tiêu chuẩn này quy định các khoảng cách này dựa trên độ cao, nhưng tham số thực sự quyết định trường phá hủy là áp suất khí quyển cho không khí giữa các dẫn điện (theo định luật Paschen). Độ ẩm trong không khí cũng sẽ ảnh hưởng đến trường phá hủy cũng như khả năng dòng rò tăng theo thời gian. Những yếu tố này cũng ảnh hưởng đến yêu cầu về khoảng cách chống rò điện và cách điện; các hệ thống điện áp cao nói chung nên được thiết kế với độ an toàn cao hơn và giảm dòng rò điện.

Nếu bảng mạch của bạn sẽ được triển khai trong môi trường ẩm ướt, hầu như không có ý nghĩa gì khi loại bỏ độ ẩm khỏi bảng mạch hoàn thiện vì nó sẽ chỉ được hấp thụ trở lại vào bảng mạch một khi nó được đưa vào hoạt động. Có một số lớp phủ cách điện chống ẩm được thiết kế cho các PCB điện áp cao.

Đối với các bảng mạch có vấn đề về bụi bặm hoặc còn dư chất cặn, một quy trình rửa đơn giản là đủ để loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi PCB của bạn. Quy trình này bao gồm việc chải các bảng mạch bằng cồn isopropyl, tiếp theo là rửa sạch bằng nước cất và sấy khô bảng mạch ở nhiệt độ 85 °C trong vài giờ. Bạn vẫn cần phải cẩn thận khi sử dụng dung môi trên các bảng mạch có chất lưu tan trong nước; việc trộn lẫn các vật liệu này có thể để lại lớp muối sau khi bảng mạch được làm khô và nung.

Bạn không nên làm sạch các PCB điện áp cao của mình theo cách này...

Các công cụ CAD và tính năng định tuyến trong Altium Designer^® là lý tưởng để tạo ra các PCB cho bất kỳ ứng dụng nào. Những tính năng thiết kế này tự động kiểm tra bố cục của bạn so với các quy tắc thiết kế quan trọng, đảm bảo bảng mạch của bạn tuân thủ các tiêu chuẩn quan trọng về khoảng cách cách điện và khoảng trống, cũng như các tiêu chuẩn dòng rò PCB. Bạn cũng sẽ có một bộ đầy đủ các tính năng tài liệu giúp bạn chuẩn bị cho việc sản xuất và lắp ráp.

Giờ đây, bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố trí, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.