2025-07-24
Изображения с разрешения клиента
В многослойных печатных пластинках, используемых во всем, от двигателей промышленности до медицинского оборудования для визуализации, изоляция слоя к слою - это не просто деталь дизайна, это необходимость безопасности и надежности.Эти доски складываются из более чем 40 слоев меди и диэлектрического материала.Для инженеров, работающих в области электричества и электричества, один отказ в изоляции может вызвать дугу, короткое замыкание или даже пожары.понимание того, как оптимизировать способность выдерживать напряжение посредством выбора материала, выбор конструкции и испытания могут уменьшить полевые сбои на 60% и обеспечить соответствие стандартам, таким как IPC-2221 и UL 94.Вот как изготовить многослойные печатные платы, которые безопасно справляются со своими предполагаемыми напряжениями.
Ключевые выводы
a.Устойчивость к напряжению от слоя к слою зависит от диэлектрического материала, толщины изоляции и факторов окружающей среды (температура, влажность).
b. PCB на основе FR-4 подходят для применения на низком напряжении (≤500 В), в то время как высоковольтные системы требуют специальных материалов, таких как PTFE или керамические ламинаты.
c. Изменения в конструкции ‒ закругленные следы, равномерное расстояние между ними и удаление краев ‒ уменьшают риск ‒ коронавирусной разрядки ‒ в высоковольтных ПКБ.
d. Испытания по стандартам IPC-TM-650 (например, диэлектрическое разрывное напряжение) обеспечивают надежность в суровых условиях.
Почему напряжение из одного слоя в другой устойчиво
Многослойные печатные платы отделяют мощность, заземление и сигнальные слои, но прилегающие слои часто работают на разных потенциалах.
a.Трехфазный промышленный контроллер может иметь 480 В переменного тока между уровнями питания.
b.Система управления аккумуляторами электромобилей (BMS) имеет 600V+ между высоковольтным и сигнальным слоями.
c. Медицинский дефибриллятор использует 2 кВ между энергосберегающим и управляющим слоями.
Если изоляция выходит из строя, токи между слоями, следы плавления, повреждение компонентов или создание опасностей для безопасности.000 на инцидент (включая время простоя и ремонт), согласно исследованию IEEE.
Факторы, влияющие на выдержку напряжения в многослойных печатных пластинках
Три основных фактора определяют способность ПХБ сопротивляться напряжению от слоя к слою:
1. Свойства диэлектрического материала
Изоляционный слой (диэлектрический) между слоями меди является первой линией защиты.
a. Диэлектрическая прочность: максимальное напряжение, которое материал может выдержать перед дугой (измеряется в кВ/мм).
b.Объемное сопротивление: мера сопротивления изоляции (выше = лучше, измеряется в Ω·cm).
c.Температурная стабильность: эффективность изоляции ухудшается при высоких температурах; материалы с высоким стеклянным переходом (Tg) сохраняют прочность.
Диэлектрический материал | Диэлектрическая прочность (kV/mm) | Объемная резистивность (Ω·cm) | Максимальная рабочая температура | Лучший для диапазона напряжения |
---|---|---|---|---|
Стандарт FR-4 | 15 ¢20 | 1014?? 1015 | 130°С | ≤ 500 В (потребитель, низкая мощность) |
FR-4 с высоким Tg | 18 ¢22 | 1015?? 1016 | 170°C+ | 500V ≈ 2kV (промышленные устройства управления) |
ПТФЕ (тефлон) | 25 ¢30 | 1016?? 1017 | 260°С | 2 кВ ≈ 10 кВ (источники питания) |
Керамические ламинированные изделия | 30 ¢ 40 | 1017?? 1018 | 200°C+ | 10 кВ+ (ВЧ-трансформаторы, радар) |
2Толщина изоляции
Более толстые диэлектрические слои увеличивают способность выдерживать напряжение, но с компромиссом:
a. 0,2 мм FR-4 слой выдерживает ~ 3 кВ; удвоение толщины до 0,4 мм увеличивает выдержку до ~ 6 кВ (линейное отношение для большинства материалов).
b.Однако более толстые слои увеличивают вес ПКБ и уменьшают целостность сигнала в высокоскоростных конструкциях (например, 5G).
Для высоковольтных печатных плат инженеры используют "маржи безопасности": проектирование для 2×3x рабочего напряжения. Например, система 1 кВ должна использовать изоляцию номиналом 2×3 кВ для учета пиков напряжения.
3Стрессовые факторы окружающей среды
Реальные условия разрушают изоляцию с течением времени:
a.Температура: каждое повышение температуры на 10°C выше 25°C уменьшает диэлектрическую прочность на 5−8% (например, FR-4 при 100°C теряет 30% своей прочности при комнатной температуре).
b.Уровень влажности: поглощение влаги (часто встречается в непокрытых ПХБ) снижает сопротивляемость. 1 мм FR-4 слой при 90% влажности может иметь на 50% меньшее напряжение.
c.Загрязнение: пыль, масла или остатки потока создают проводящие пути. Промышленные печатные платы часто используют конформное покрытие (например, силикон) для уплотнения изоляции.
Проектирование стратегий повышения напряжения
Проектирование многослойных печатных плат для высокого напряжения требует активного выбора конструкции:
1Материал, соответствующий требованиям напряжения
Низкое напряжение (≤500 В): Стандартный FR-4 с диэлектрическими слоями 0,1 ∼ 0,2 мм работает для бытовой электроники (например, смарт-телевизоров, маршрутизаторов).
Среднее напряжение (500 V ≈ 5 кВ): FR-4 с высоким Tg или полимид (PI) с слоями 0,2 ≈ 0,5 мм подходит для промышленных датчиков и портов зарядки электромобилей.
Высокое напряжение (5 кВ +): ПТФЕ или керамические ламины (0,5 ‰ 2 мм слоев) имеют решающее значение для инверторов мощности и медицинских дефибрилляторов.
2Уменьшение рисков от "выпуска коронавируса"
Высоковольтные электрические поля концентрируются на острых краях (например, уголки следа 90° или открытая медь), создавая короноразряд ‒ крошечные искры, которые разрушают изоляцию с течением времени.
Закругленные следы: используйте углы 45° или изогнутые углы вместо углов 90° для распределения электрических полей.
Увеличение расстояния: держать высоковольтные следы в 3 раза дальше друг от друга, чем низковольтные (например, 3 мм против 1 мм для 1 кВ).
Наземные плоскости: добавить заземленный слой "щита" между слоями высокого и низкого напряжения для удержания электрических полей.
3. Крайний просвет и наложение слоев
Пространство между краями: убедитесь, что медные слои заканчиваются на 2 ̊5 мм перед краем ПКБ, чтобы предотвратить дугу между открытыми слоями.
Симетрическое стекание: сбалансированное количество слоев (например, 4 слоя: сигнал/земля/мощность/сигнал), чтобы избежать деформации, которая может срывать диэлектрические слои.
Избегайте перекрытия проводов: Стягивайте проводы между слоями, чтобы предотвратить проводящие пути через изоляцию.
Испытания и проверка: обеспечение надежности
Никакой проект не завершен без строгих испытаний:
1Испытания диэлектрического разрыва
Метод: применяется повышающее напряжение переменного тока/ постоянного тока между слоями до возникновения дуги; записывается разрывное напряжение.
Стандарт: IPC-TM-650 2.5.6.2 определяет условия испытания (например, 50 Гц переменного тока, скорость наклона 1 кВ/сек).
Критерии одобрения: напряжение отказов должно превышать 2 раза рабочее напряжение (например, 2 кВ для системы 1 кВ).
2. Испытания частичного разряда (PD)
Цель: обнаруживает крошечные, неразрушительные выбросы (корона), которые сигнализируют о будущем неудаче.
Применение: критически важно для высоковольтных ПХБ (5 кВ+); уровни ПД > 10pC указывают на слабость изоляции.
3Экологические испытания
Тепловая цикл: испытание при температуре от -40 до 125 °C в течение более 1000 циклов для имитации старения.
Испытание влажности: 85°C/85% RH в течение 1000 часов для проверки влагостойкости.
Реальные применения и результаты
a.Промышленные инверторы: двигатель 3 кВ с использованием слоев PTFE 0,5 мм (нормативное напряжение 15 кВ) уменьшает сбои поля на 70% по сравнению с проектами FR-4.
b.Станции зарядки электромобилей: системы 600В с высоким Tg FR-4 (0,3 мм слоев) и соответствующим покрытием сохраняют 100% надежность в течение 5000+ циклов зарядки.
c. Медицинская визуализация: 2 кВ рентгеновские аппараты с использованием керамических ламинатов (1 мм слоев) прошли стандарты безопасности IEC 60601-1, при 3 кВ не обнаружено PD.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Могут ли многослойные печатные платы с более чем 40 слоями выдерживать высокое напряжение?
Ответ: Да, но наложение слоев имеет решающее значение. Сменяйте высоковольтные слои с наземными плоскостями, чтобы предотвратить перекрестную дугу слоев, и используйте более толстый диэлектрик (0,3 мм +) между парами высокого напряжения.
Вопрос: Как количество слоев влияет на выдержку напряжения?
Ответ: больше слоев увеличивает риск сбоев между слоями, но правильное расстояние и экранирование смягчают это.
Вопрос: Какой самый дешевый способ повысить напряжение?
Ответ: Для конструкций низкого напряжения увеличение толщины диэлектриков (например, 0,2 мм против 0,1 мм FR-4) добавляет минимальные затраты при удвоении выдерживаемости.
Заключение
Многослойный ПКЖ выдерживает напряжение - это баланс науки о материалах, дисциплины проектирования и экологической осведомленности.и тщательно испытываем, инженеры могут гарантировать, что изоляция из слоя в слой выдерживает даже самые сложные приложения.Для высоковольтных систем, где отказ не является вариантом, этот активный подход не является просто хорошей техникой.Это необходимо.
Отправьте запрос непосредственно нам