مقاومت ولتاژ PCB چند لایه: اطمینان از عایق لایه به لایه در کاربردهای حیاتی

تصاویر مجاز مشتری

در بردهای مدار چاپی چند لایه—که در همه چیز از درایوهای موتور صنعتی گرفته تا تجهیزات تصویربرداری پزشکی استفاده می شود—عایق بندی لایه به لایه فقط یک جزئیات طراحی نیست: یک ضرورت ایمنی و قابلیت اطمینان است. این بردها 4 تا 40+ لایه از مس و مواد دی الکتریک را روی هم قرار می دهند، که لایه های مجاور اغلب ولتاژهای بالا (100 ولت تا 10 کیلو ولت+) را حمل می کنند. یک خرابی عایق می تواند باعث قوس الکتریکی، اتصال کوتاه یا حتی آتش سوزی شود. برای مهندسان، درک چگونگی بهینه سازی توانایی تحمل ولتاژ—از طریق انتخاب مواد، انتخاب های طراحی و آزمایش—می تواند خرابی های میدانی را تا 60٪ کاهش دهد و از انطباق با استانداردهایی مانند IPC-2221 و UL 94 اطمینان حاصل کند. در اینجا نحوه مهندسی بردهای مدار چاپی چند لایه وجود دارد که با خیال راحت ولتاژهای مورد نظر خود را تحمل می کنند.

نکات کلیدی
  الف. مقاومت ولتاژ لایه به لایه به مواد دی الکتریک، ضخامت عایق و عوامل محیطی (دما، رطوبت) بستگی دارد.
  ب. بردهای مدار چاپی مبتنی بر FR-4 برای کاربردهای ولتاژ پایین (≤500 ولت) مناسب هستند، در حالی که سیستم های ولتاژ بالا به مواد تخصصی مانند PTFE یا لمینت های پر شده با سرامیک نیاز دارند.
  ج. تنظیمات طراحی—ردیابی های گرد، فاصله یکنواخت و فاصله لبه—خطر «تخلیه کرونا» را در بردهای مدار چاپی ولتاژ بالا کاهش می دهد.
  د. آزمایش با استانداردهای IPC-TM-650 (به عنوان مثال، ولتاژ شکست دی الکتریک) قابلیت اطمینان را در شرایط سخت تضمین می کند.

چرا مقاومت ولتاژ لایه به لایه مهم است
بردهای مدار چاپی چند لایه، لایه های برق، زمین و سیگنال را از هم جدا می کنند، اما لایه های مجاور اغلب با پتانسیل های متفاوتی کار می کنند. به عنوان مثال:

  الف. یک کنترلر صنعتی 3 فاز ممکن است 480 ولت AC بین لایه های برق داشته باشد.
  ب. یک سیستم مدیریت باتری خودروی الکتریکی (BMS) دارای 600 ولت+ بین لایه های ولتاژ بالا و سیگنال است.
  ج. یک دفیبریلاتور پزشکی از 2 کیلو ولت بین لایه های ذخیره انرژی و کنترل استفاده می کند.

اگر عایق خراب شود، جریان بین لایه ها قوس می زند، ردیابی ها را ذوب می کند، به اجزا آسیب می رساند یا خطرات ایمنی ایجاد می کند. طبق نظرسنجی IEEE، در تنظیمات صنعتی، چنین خرابی هایی به طور متوسط 20000 دلار در هر حادثه (شامل زمان خرابی و تعمیرات) هزینه دارد.

عوامل موثر بر مقاومت ولتاژ در بردهای مدار چاپی چند لایه
سه عامل اصلی توانایی یک برد مدار چاپی را در مقاومت در برابر ولتاژ لایه به لایه تعیین می کنند:

1. خواص مواد دی الکتریک
لایه عایق (دی الکتریک) بین لایه های مسی اولین خط دفاعی است. معیارهای کلیدی عبارتند از:

  الف. استحکام دی الکتریک: حداکثر ولتاژی که یک ماده می تواند قبل از قوس الکتریکی تحمل کند (بر حسب کیلو ولت بر میلی متر اندازه گیری می شود).
  ب. مقاومت حجمی: معیاری از مقاومت عایق (بالاتر = بهتر، بر حسب اهم سانتی متر اندازه گیری می شود).
  ج. پایداری دما: عملکرد عایق در دماهای بالا کاهش می یابد. موادی با انتقال شیشه ای بالا (Tg) استحکام را حفظ می کنند.

2. ضخامت عایق
لایه های دی الکتریک ضخیم تر، توانایی مقاومت در برابر ولتاژ را افزایش می دهند—اما با معاوضه هایی:

  الف. یک لایه FR-4 با ضخامت 0.2 میلی متر ~3 کیلو ولت را تحمل می کند. دو برابر کردن ضخامت به 0.4 میلی متر، مقاومت را به ~6 کیلو ولت افزایش می دهد (رابطه خطی برای اکثر مواد).
  ب. با این حال، لایه های ضخیم تر وزن برد مدار چاپی را افزایش می دهند و یکپارچگی سیگنال را در طرح های پرسرعت (به عنوان مثال، 5G) کاهش می دهند.

برای بردهای مدار چاپی ولتاژ بالا، مهندسان از «حاشیه های ایمنی» استفاده می کنند: برای 2 تا 3 برابر ولتاژ کاری طراحی کنید. به عنوان مثال، یک سیستم 1 کیلو ولتی باید از عایقی استفاده کند که برای 2 تا 3 کیلو ولت درجه بندی شده است تا اسپایک های ولتاژ را در نظر بگیرد.

3. استرسورهای محیطی
شرایط دنیای واقعی عایق را در طول زمان تخریب می کند:

  الف. دما: هر 10 درجه سانتیگراد افزایش بالای 25 درجه سانتیگراد، استحکام دی الکتریک را 5 تا 8 درصد کاهش می دهد (به عنوان مثال، FR-4 در 100 درجه سانتیگراد 30 درصد از استحکام دمای اتاق خود را از دست می دهد).
  ب. رطوبت: جذب رطوبت (متداول در بردهای مدار چاپی بدون پوشش) مقاومت را کاهش می دهد. یک لایه FR-4 با ضخامت 1 میلی متر در رطوبت 90٪ ممکن است 50٪ ولتاژ مقاومت کمتری داشته باشد.
  ج. آلودگی: گرد و غبار، روغن ها یا باقیمانده های شار، مسیرهای رسانا ایجاد می کنند. بردهای مدار چاپی صنعتی اغلب از پوشش های هم شکل (به عنوان مثال، سیلیکون) برای آب بندی عایق استفاده می کنند.

استراتژی های طراحی برای افزایش مقاومت ولتاژ
مهندسی بردهای مدار چاپی چند لایه برای ولتاژ بالا به انتخاب های طراحی فعال نیاز دارد:

1. تطبیق مواد با نیازهای ولتاژ
  ولتاژ پایین (≤500 ولت): FR-4 استاندارد با لایه های دی الکتریک 0.1 تا 0.2 میلی متر برای لوازم الکترونیکی مصرفی (به عنوان مثال، تلویزیون های هوشمند، روترها) مناسب است.
  ولتاژ متوسط (500 ولت–5 کیلو ولت): FR-4 با Tg بالا یا پلی آمید (PI) با لایه های 0.2 تا 0.5 میلی متر برای سنسورهای صنعتی و پورت های شارژ خودروهای الکتریکی مناسب است.
  ولتاژ بالا (5 کیلو ولت+): PTFE یا لمینت های پر شده با سرامیک (لایه های 0.5 تا 2 میلی متر) برای اینورترهای برق و دفیبریلاتورهای پزشکی حیاتی هستند.

2. کاهش خطرات «تخلیه کرونا»
میدان های الکتریکی ولتاژ بالا در لبه های تیز (به عنوان مثال، گوشه های ردیابی 90 درجه یا مس در معرض دید) متمرکز می شوند و تخلیه کرونا ایجاد می کنند—جرقه های کوچکی که عایق را در طول زمان فرسایش می دهند. اصلاحات شامل:

  ردیابی های گرد: به جای زوایای 90 درجه از گوشه های 45 درجه یا منحنی استفاده کنید تا میدان های الکتریکی را توزیع کنید.
  افزایش فاصله: ردیابی های ولتاژ بالا را 3 برابر دورتر از ردیابی های ولتاژ پایین نگه دارید (به عنوان مثال، 3 میلی متر در مقابل 1 میلی متر برای 1 کیلو ولت).
  صفحات زمین: یک لایه «محافظ» زمین شده بین لایه های ولتاژ بالا و پایین اضافه کنید تا میدان های الکتریکی را مهار کنید.

3. فاصله لبه و چیدمان لایه
  فاصله لبه: اطمینان حاصل کنید که لایه های مسی 2 تا 5 میلی متر قبل از لبه برد مدار چاپی به پایان می رسند تا از قوس الکتریکی بین لایه های در معرض دید جلوگیری شود.
  چیدمان متقارن: تعداد لایه ها را متعادل کنید (به عنوان مثال، 4 لایه: سیگنال/زمین/برق/سیگنال) تا از تاب خوردن که می تواند لایه های دی الکتریک را ترک کند، جلوگیری شود.
  از همپوشانی vias خودداری کنید: vias را بین لایه ها قرار دهید تا از مسیرهای رسانا از طریق عایق جلوگیری شود.

آزمایش و اعتبار سنجی: اطمینان از قابلیت اطمینان
هیچ طراحی بدون آزمایش دقیق کامل نمی شود:

1. آزمایش شکست دی الکتریک
  روش: اعمال ولتاژ AC/DC فزاینده بین لایه ها تا زمانی که قوس الکتریکی رخ دهد. ولتاژ شکست را ثبت کنید.
  استاندارد: IPC-TM-650 2.5.6.2 شرایط آزمایش را مشخص می کند (به عنوان مثال، 50 هرتز AC، نرخ شیب 1 کیلو ولت بر ثانیه).
  معیارهای عبور: ولتاژ شکست باید از 2 برابر ولتاژ کاری بیشتر باشد (به عنوان مثال، 2 کیلو ولت برای یک سیستم 1 کیلو ولتی).

2. آزمایش تخلیه جزئی (PD)
  هدف: تشخیص تخلیه های کوچک و غیر مخرب (کرونا) که نشان دهنده خرابی های آینده است.
  کاربرد: برای بردهای مدار چاپی ولتاژ بالا (5 کیلو ولت+) حیاتی است. سطوح PD >10pC نشان دهنده ضعف عایق است.

3. آزمایش محیطی
  چرخه حرارتی: آزمایش در دمای -40 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد برای 1000+ چرخه برای شبیه سازی پیری.
  آزمایش رطوبت: 85 درجه سانتیگراد/85٪ RH برای 1000 ساعت برای بررسی مقاومت در برابر رطوبت.

کاربردهای دنیای واقعی و نتایج
  الف. اینورترهای صنعتی: یک درایو موتور 3 کیلو ولتی با استفاده از لایه های PTFE با ضخامت 0.5 میلی متر (با درجه 15 کیلو ولت) خرابی های میدانی را تا 70٪ در مقایسه با طرح های FR-4 کاهش داد.
  ب. ایستگاه های شارژ خودروهای الکتریکی: سیستم های 600 ولتی با FR-4 با Tg بالا (لایه های 0.3 میلی متری) و پوشش هم شکل، 100٪ قابلیت اطمینان را در بیش از 5000 چرخه شارژ حفظ کردند.
  ج. تصویربرداری پزشکی: دستگاه های اشعه ایکس 2 کیلو ولتی با استفاده از لمینت های پر شده با سرامیک (لایه های 1 میلی متری) استانداردهای ایمنی IEC 60601-1 را پاس کردند، بدون اینکه PD در 3 کیلو ولت تشخیص داده شود.

سوالات متداول
س: آیا بردهای مدار چاپی چند لایه با 40+ لایه می توانند ولتاژ بالا را تحمل کنند؟
پاسخ: بله، اما چیدمان لایه حیاتی است. لایه های ولتاژ بالا را با صفحات زمین جایگزین کنید تا از قوس الکتریکی متقابل لایه جلوگیری شود و از دی الکتریک ضخیم تر (0.3 میلی متر+) بین جفت های ولتاژ بالا استفاده کنید.

س: چگونه تعداد لایه ها بر مقاومت ولتاژ تأثیر می گذارد؟
پاسخ: لایه های بیشتر خطر خرابی های متقابل لایه را افزایش می دهند، اما فاصله و محافظ مناسب این موضوع را کاهش می دهد. یک برد مدار چاپی 12 لایه با PTFE 0.2 میلی متری بین لایه های ولتاژ بالا می تواند با خیال راحت 5 کیلو ولت را تحمل کند.

س: ارزان ترین راه برای افزایش مقاومت ولتاژ چیست؟
پاسخ: برای طرح های ولتاژ پایین، افزایش ضخامت دی الکتریک (به عنوان مثال، 0.2 میلی متر در مقابل 0.1 میلی متر FR-4) حداقل هزینه را اضافه می کند در حالی که توانایی مقاومت را دو برابر می کند.

نتیجه
مقاومت ولتاژ برد مدار چاپی چند لایه تعادلی از علم مواد، نظم طراحی و آگاهی محیطی است. با انتخاب مواد دی الکتریک مناسب، افزودن حاشیه های ایمنی و آزمایش دقیق، مهندسان می توانند اطمینان حاصل کنند که عایق لایه به لایه حتی در سخت ترین کاربردها نیز دوام می آورد. برای سیستم های ولتاژ بالا—که در آن خرابی یک گزینه نیست—این رویکرد فعالانه فقط مهندسی خوب نیست: ضروری است.