Çok Katmanlı PCB Gerilim Dayanımı: Kritik Uygulamalarda Katmanlar Arası Yalıtımın Sağlanması

Müşteri tarafından yetkilendirilmiş görüntüler

Endüstriyel motor tahriklerinden tıp görüntüleme ekipmanlarına kadar her şeyde kullanılan çok katmanlı PCB'lerde katman katman yalıtım sadece bir tasarım ayrıntısı değildir: güvenlik ve güvenilirlik zorunludur.Bu levhalar bakır ve dielektrik malzemelerden oluşan 4'40 katman üst üste., sıklıkla yüksek voltaj taşıyan bitişik katmanlarla (100V ila 10kV +). Tek bir yalıtım arkası arkası, kısa devre veya yangınlara bile neden olabilir.Malzeme seçimi yoluyla voltaj dayanıklılığını nasıl optimize edeceğinizi anlamak, tasarım seçimleri ve testler alan arızalarını %60 oranında azaltabilir ve IPC-2221 ve UL 94 gibi standartlara uygunluğu sağlayabilir.Burada, amaçlanan voltajlarını güvenli bir şekilde idare eden çok katmanlı PCB'leri nasıl tasarlayacağınız.

Önemli Önemli Noktalar
a. Katman katman gerilim dayanıklılığı, dielektrik malzemeden, yalıtım kalınlığından ve çevresel faktörlerden (sıcaklık, nem) etkilenir.
b.FR-4 tabanlı PCB'ler düşük voltajlı (≤500V) uygulamalar için çalışırken, yüksek voltajlı sistemler PTFE veya seramikle doldurulmuş laminatlar gibi özel malzemeler gerektirir.
c.Tasarım düzeltmeleri, yuvarlak izler, eşit mesafe ve kenar boşluğu yüksek voltajlı PCB'lerde “korona boşaltma” risklerini azaltır.
d. IPC-TM-650 standartlarına göre test (örneğin, dielektrik bozulma voltajı) zor koşullarda güvenilirliği sağlar.

Katman Katman Gürültü Neden Maddeye Dayanır?
Çok katmanlı PCB'ler güç, toprak ve sinyal katmanlarını ayırır, ancak bitişik katmanlar genellikle farklı potansiyellerde çalışır.

a. Üç fazlı endüstriyel bir denetleyici, güç katmanları arasında 480V AC olabilir.
b.Bir EV batarya yönetim sistemi (BMS), yüksek gerilim ve sinyal katmanları arasında 600V+'ya sahiptir.
c. Tıbbi bir defibrilatör, enerji depolama ve kontrol katmanları arasında 2kV kullanır.

İzolasyon bozulursa, katmanlar arasındaki akım kemerleri, erime izleri, parçalara zarar vermek veya güvenlik tehlikeleri yaratmak.Olay başına (dönemsiz çalışma ve onarım dahil), IEEE tarafından yapılan bir araştırmaya göre.

Çok Katmanlı PCB'lerde Voltaj Direnciyi Etkilen Faktörler
Üç temel faktör, bir PCB'nin katman katman gerilimine direnme yeteneğini belirler:

1Dielektrik malzeme özellikleri
Bakır katmanları arasındaki yalıtım katmanı (dilektrik) ilk savunma hattıdır.

a.Dielektrik sertlik: Bir malzemenin ark oluşturmadan önce dayanabileceği maksimum voltaj (kV/mm olarak ölçülür).
b.Hızlı direnç: yalıtım direncinin ölçüsü (daha yüksek = daha iyi, Ω·cm olarak ölçülür).
c.Sıcaklık istikrarı: Yüksek sıcaklıklarda yalıtım performansı bozulur; yüksek cam geçiş (Tg) olan malzemeler dayanıklılığını korur.

2. yalıtım kalınlığı
Daha kalın dielektrik katmanlar, gerilimi kaldırma yeteneğini artırır, ancak takaslarla:

a. 0.2 mm FR-4 katmanı ~3kV'ye dayanır; 0.4 mm'ye iki katlık kalınlık arttığında ~6kV'ye dayanır (çoğu malzeme için doğrusal ilişki).
b. Bununla birlikte, daha kalın katmanlar PCB ağırlığını arttırır ve yüksek hızlı tasarımlarda (örneğin, 5G) sinyal bütünlüğünü azaltır.

Yüksek voltajlı PCB'ler için mühendisler “güvenlik sınırları” kullanır: çalışma voltajının 2 “3 katı için tasarlanmalıdır. Örneğin, 1 kV sisteminde, voltaj tırmanışlarını hesaplamak için 2 “3 kV için değerlendirilmiş yalıtım kullanılmalıdır.

3Çevre Stresleri
Gerçek dünya koşulları zamanla yalıtımı bozar:

a.Sıcaklık: 25°C'nin üzerindeki her 10°C'lik artış dielektrik sertliğini %5-8 oranında azaltır (örneğin, FR-4 100°C'de oda sıcaklığında sertliğinin %30'unu kaybeder).
b. Nemlilik: Nem emilimi (kaplama dışı PCB'lerde yaygın) dirençliliği düşürür. % 90 nemli bir 1 mm FR-4 tabakası % 50 daha düşük dayanıklılık voltajı görebilir.
c. Kirlenme: Toz, yağ veya akım kalıntıları iletken yollar oluşturur. Endüstriyel PCB'ler genellikle yalıtım için uyumlu kaplama (örneğin silikon) kullanır.

Voltajı arttırmak için tasarım stratejileri
Yüksek voltajlı çok katmanlı PCB'lerin tasarımı proaktif tasarım seçimleri gerektirir:

1. Voltaj Gereksinimlerine Uyumlu Malzeme
Düşük voltaj (≤500V): 0.1 ∼ 0.2 mm dielektrik katmanlı standart FR-4 tüketici elektroniği için çalışır (örneğin akıllı TV'ler, yönlendiriciler).
Orta voltaj (500V ̇5kV): Yüksek Tg FR-4 veya polyimid (PI) 0,2 ̇0,5 mm katmanlı endüstriyel sensörler ve EV şarj portları için uygundur.
Yüksek voltaj (5kV+): PTFE veya seramikle doldurulmuş laminatlar (0,5 ′′ 2 mm katmanlar) güç inverterleri ve tıbbi defibrillatörler için kritik önem taşır.

2Korona Sertifikası Risklerini Azaltmak
Yüksek voltajlı elektrik alanları keskin kenarlarda yoğunlaşır (örneğin, 90 ° iz köşeleri veya açık bakır), zamanla yalıtımı aşan korona boşaltması “küçük kıvılcımlar” yaratır.

Yuvarlak izler: Elektrik alanlarını dağıtmak için 90° açı yerine 45° veya eğri köşeler kullanın.
Aralık artır: Yüksek voltajlı izleri düşük voltajlı izlere göre 3 kat daha uzak tutun (örneğin, 1kV için 3 mm ile 1 mm).
Yer düzlemleri: Elektrik alanlarını barındırmak için yüksek ve düşük voltaj katmanları arasında yerleştirilmiş bir "kalkan" katmanı ekleyin.

3. Kenar boşluğu ve katman yığımı
Kenar aralığı: Açık katmanlar arasındaki kemerlenmeyi önlemek için bakır katmanlarının PCB kenarından 2 ′′5 mm öncesinde sonlandığından emin olun.
Simetrik yığma: Dielektrik katmanları yırtabilecek çarpıklığı önlemek için dengeleme katmanı sayıları (örneğin, 4 katman: sinyal/yer/güç/signal).
Çakışan viaslardan kaçının: İzolasyon yoluyla iletken yolları önlemek için katmanlar arasında Stagger viasları.

Test ve Doğrulama: Güvenilirliği Sağlamak
Zorlu test olmadan hiçbir tasarım tamamlanamaz:

1Dielektrik Bozulma Testleri
Yöntem: Yaylanana kadar katmanlar arasında AC/DC voltajı arttırılır; arkaplan voltajı kaydedilir.
Standart: IPC-TM-650 2.5.6.2 test koşullarını belirtir (örneğin, 50Hz AC, 1kV/s ramp hızı).
Geçerlilik kriterleri: Çökme voltajı çalışma voltajının 2 katını aşmalıdır (örneğin, 1kV sistemi için 2kV).

2Kısmi Serbestleme (PD) testi
Amaç: Gelecekteki başarısızlığı işaret eden küçük, yıkıcı olmayan boşaltmaları (korona) tespit eder.
Uygulama: Yüksek voltajlı PCB'ler için kritik (5kV+); PD seviyeleri >10pC yalıtım zayıflıklarını gösterir.

3Çevre Testleri
Termal döngü: Yaşlanmayı taklit etmek için -40 °C'den 125 °C'ye kadar 1.000'den fazla döngü için test edin.
Nem testi: Nem direncini kontrol etmek için 1000 saat boyunca 85°C/85% RH.

Gerçek Dünyadaki Uygulamalar ve Sonuçlar
a.Endüstriyel Inverterler: 0,5 mm PTFE katmanları (notlu 15 kV) kullanan 3kV motor sürücüsü, FR-4 tasarımlarına kıyasla alan arızasını% 70 oranında azaltmıştır.
b.EV Şarj İstasyonları: Yüksek Tg FR-4 (0,3 mm katman) ve uyumlu kaplama ile 600V sistemleri, 5.000'den fazla şarj döngüsünde% 100 güvenilirliği korudu.
c.Tıbbi Görüntüleme: Keramikle doldurulmuş laminatları (1mm katman) kullanan 2kV X-ışını makineleri, 3kV'de PD tespit edilmeden IEC 60601-1 güvenlik standartlarını geçti.

Sık Sorulan Sorular
S: 40 katmandan fazla katmanlı çok katmanlı PCB'ler yüksek voltajı kaldırabilir mi?
A: Evet, ancak katman yığılması kritiktir. Çapraz katman kemerlenmesini önlemek için yüksek voltajlı katmanları zemin düzlemleriyle değiştirin ve yüksek voltajlı çiftler arasında daha kalın dielektrik (0,3 mm +) kullanın.

S: Katman sayısı gerilimi nasıl etkiler?
Cevap: Daha fazla katman, çapraz katman arızası riskini arttırır, ancak uygun aralık ve kalkanlama bunu azaltır.

S: Voltaj dayanıklılığını artırmanın en ucuz yolu nedir?
A: Düşük voltajlı tasarımlar için, dielektrik kalınlığını arttırmak (örneğin, 0.2 mm karşı 0.1 mm FR-4) dayanıklılığı iki katına çıkarırken minimum maliyeti ekler.

Sonuçlar
Çok katmanlı PCB gerilimine dayanmak, malzeme bilimi, tasarım disiplini ve çevre bilincinin dengesidir.Sıkı bir deneme yapıyoruz., mühendisler katman katman yalıtımının en zorlu uygulamalarda bile dayanmasını sağlayabilir.Yüksek voltajlı sistemler için, başarısızlığın bir seçenek olmadığı bu proaktif yaklaşım sadece iyi mühendislik değildir.Bu çok önemli.