Меню

Печатные платы напряжение пробоя

SamsPcbGuide, часть 9: Гальваническая изоляция, безопасность и печатные платы

Данная статья продолжает рассмотрение темы, поднятой @olartamonov, а именно, обеспечение безопасности в высоковольтных приложениях. В статье будут рассмотрены физические основы пробоя диэлектриков, а также новый стандарт безопасности.

Требования безопасности касаются любой электронной аппаратуры, несмотря на то, что они являются накладными с точки зрения функционирования изделия. Они требуют применения дополнительных схемотехнических решений и электронных компонентов, усложняют топологию печатных плат, увеличивая масса-габаритные параметры изделия, объём испытаний и, тем самым, его стоимость и сроки выхода на рынок. Только функционалом можно ограничиваться лишь при разработке макетных образцов или прототипов устройства. К сожалению, в настоящее время в условиях простоты выхода на покупателя (мимо центров сертификации), снижения стоимости и экономии на испытаниях электронные изделия теряют не только надёжность, но и безопасность.

Основы теории электрического пробоя в газах и твёрдых телах

где p – давление, a и b – экспериментальные константы, зависящие от газа. На рис. 1 приводится кривая Пашена для сухого воздуха с относительной влажностью 60% при температуре 20 о С. Заметим, что кривая Пашена имеет минимальное значение. Повышение давления приводит к росту плотности и увеличению вероятности столкновений, но снижает длину свободного пробега и, следовательно, энергию частиц. Это приводит к росту напряжения пробоя в области высоких давлений, в правой части графика. В области низких значений механизм пробоя зависит от соотношения длины свободного пробега и расстояния между электродами. Электрическая прочность воздуха при нормальном атмосферном давлении составляет 3,1 кВ/мм и она снижается с ростом температуры и падением давления. В качестве консервативной оценки при проектировании электрической изоляции обычно принимается значение 1-1,5 кВ/мм.

Для твёрдых диэлектриков вводится понятие собственной электрической прочности – минимального значения напряжённости электрического поля в однородном материале, при котором свободные или валентные электроны приобретают достаточно энергии, чтобы при их столкновениях с атомами или связанными электронами образовывались новые электроны проводимости, что и приводит к пробою. Эта величина зависит от температуры, для некоторых материалов может достигать нескольких МВ/мм и является теоретическим пределом электрической прочности. На практике пробой возникает при гораздо меньших значениях напряжённости электрического поля. Основными причинами этого являются:

  • неоднородность материала (механические микроповреждения, загрязнения и полости внутри материала, повреждение атомной решётки при воздействии радиации, изменение свойств в результате химических реакций);
  • наличие обходных траекторий пробоя, чаще всего по границе материала (загрязнения поверхности, влага на поверхности и в приграничном слое), вдоль трещин;
  • старение материала со временем – накопление перечисленных эффектов, в т. ч. в условиях повышенной температуры.

Перечисленные неоднородности в толще материала действуют как концентраторы напряжённости электрического поля, приводя к частичным пробоям (рис. 2). В результате таких пробоев происходит постепенное разрушение материала диэлектрика, которое может приводить к полному пробою.

Наличие влаги или загрязнений на поверхности может приводить к образованию проводящих каналов, которые даже при слабой проводимости создают эквипотенциальные поверхности, снижая фактический зазор между электродами и тем самым приводя к пробою.

К электрическому пробою в диэлектрических материалах приводит целый комплекс сложных физических явлений, имеющих в том числе вероятностную составляющую и зависящих от большого числа внешних факторов. Поэтому аналитические и расчётные модели могут быть построены только для самых простых случаев. На практике при проектировании следует руководствоваться требованиям стандартов, проводить тестирование изоляции в условиях, приближённых к реальным условиям эксплуатации, и при возможности закладывать запас прочности изоляции. Понимание теоретических основ механизмов электрического пробоя позволяет принимать решения в условиях необходимости компромисса с рекомендациями стандартов.

Новый стандарт безопасности

Каждой группе электронных устройств соответствует свой стандарт электробезопасности. Актуальным стандартом безопасности является 62368-1, который пришёл на смену и объединил устаревающие стандарты 60950-1 и 60065. Стандарт, в отличие от своих предшественников, очень системный и структурированный и рекомендуется к изучению. Также рекомендации по гальванической изоляции указаны в стандартах IPC: в общем стандарте на проектирование печатных плат IPC2221 и в стандарте на преобразователи напряжения IPC9592.

Базовая модель защищённой системы в 62368-1 выглядит очень просто (рис. 3). В общем случае механизмы защиты от передачи энергии (электрической, химической, кинетической, тепловой и др.), способной вызвать боль или стать причиной травм, включают:

  • ослабление уровня или скорости передачи энергии;
  • перенаправление энергии;
  • отключение источника энергии;
  • создание барьера между источником энергии и пользователем.

При этом под защитой в стандарте понимаются не только технические (в том числе индивидуальные средства защиты пользователя), но и организационные меры. Наивысший приоритет с точки зрения безопасности имеют технические средства, являющиеся частью оборудования, так как они минимизируют требования к поведению пользователя.

По опасности источники энергии делятся на три класса (раздел 4.2), каждому из которых соответствует свой минимальный уровень защиты, в зависимости от типа пользователя оборудования. Для обычного пользователя это:

  • основная защита (для класса опасности 2) – обеспечивает безопасность в нормальных и ненормальных условиях эксплуатации,
  • дополнительная защита (для класса 3) – используется в дополнение к основной, обеспечивая защиту при её неисправности,
  • усиленная защита (для класса 3) – обеспечивает безопасность в нормальных и ненормальных условиях эксплуатации (например, обратная полярность источника питания), а также при единичной неисправности (например, пробой изоляции).
Читайте также:  Формула для определения допускаемых контактных напряжений

Для источников класса 1 допускается отсутствие защиты. Стандарт требует наличия защитной изоляции не только между источником питания и пользователем, но и между источниками электрической энергии различных классов опасности (таблица 12 стандарта).

Классификации источников посвящён раздел 5.2 стандарта. Источники постоянного тока с выходным напряжением более 60 В определяются как опасные и требуют обеспечения изоляции (рис. 4). Те же уровни напряжения считаются опасными для одиночных импульсов и для конденсаторов ёмкостью более 300 нФ, при снижении ёмкости требования снижаются (для 4 нФ это уже 1 кВ, см. таблицу 7 стандарта). Для источников переменного тока пороговым является 30 В среднеквадратичного значения напряжения.

Если в работе электронного устройства используются источники электрической энергии класса 2 и 3, то при проектировании печатных плат, входящих в его состав, должны соблюдаться требования к минимальным зазорам (англ. clearance) и путям утечки (англ. creepage), используемым материалам и компонентам. Печатным платам посвящён отдельный раздел G.18 приложения G «Компоненты», который содержит ссылки на общие разделы 5.4.2 «Зазоры» и 5.4.3 «Пути утечки».

При выборе минимальных зазоров и путей утечки следует исходить не только от значений напряжения, но и от условий эксплуатации и материала диэлектрика (рис. 5). На пробой воздушного зазора влияет давление, поэтому стандарт вводит повышающие коэффициенты для высот более 2000 м над уровнем моря (таблица 22 стандарта). Кроме того, определяются три степени загрязнения рабочей среды. Чем выше степень загрязнения, тем большее расстояние между проводникам должны быть обеспечено.

Ещё один параметр, который оказывает влияние на значение минимального пути утечки – это группа материла по стойкости к пробою по поверхности. Стандарт IEC 60112 разделяет диэлектрические материалы на 4 группы в зависимости от значения условного индекса CTI (англ. Comparative Tracking Index). Чем выше значение CTI, тем выше стойкость к пробою и тем меньше значения минимального пути утечки допустимы при прочих равных условиях. Стандартный стеклотекстолит FR4 c CTI

175…200 находится на границе значений группы IIIb, которую не рекомендуют использовать при степени загрязнения 3 и при среднеквадратичных значениях напряжения более 630 В.

После того, как параметры, влияющие на выбор минимальных зазоров и путей утечки, определены, сами значения определяются с помощью таблиц 17-19, 23, G.12 стандарта. Данные минимальные расстояния должны выдерживаться для всех проводников при наличии между ними соответствующего напряжения: в первичной цепи, между первичной и вторичной цепью, а также во вторичных цепях. В таблице 1 приводятся значения минимальных зазоров и путей утечки для печатных плат, входящих в состав устройств с питанием от электросети 220 В категории перенапряжения II в условиях степени загрязнения 2.

Для внешних слоёв значения зависят от наличия покрытия, однако стоит учитывать, что стандартная маска не является специализированным изоляционным покрытием и не обеспечивает возможность применения пониженных требований к зазорам. Маска имеет неравномерную толщину и может содержать полости и трещины, снижающие надёжность такой изоляции.

Что касается внутренних слоёв, то для проводников на соседних слоях используется минимальный зазор для сплошной (англ. solid insulation) однослойной изоляции в 0,4 мм, а для проводников на одном слое изоляция рассматривается как скреплённый стык (англ. cemented joint). По стандарту для такой изоляции могут использоваться значения минимальных зазоров и путей утечки для степени загрязнения 2, для степени загрязнения 1 или зазор для сплошной изоляции в 0,4 мм. При этом в последних двух случаях стандарт требует проведения испытаний, включающих термоциклирование и испытание на электрическую прочность. Дело в том, что существует вероятность (и для надёжных приложений она должна быть учтена), что в результате тепловой, механической нагрузки или с течением времени вдоль раздела соседних слоёв печатной платы возникнет зазор. И тогда расстояние в 0,4 мм может оказаться недостаточным для обеспечения высоковольтной изоляции.

Стоит заметить, что в большинстве случаев требование к расстоянию через изоляцию между слоями является минимальным, поэтому одной из стратегий при проектировании печатных плат с ограничением по габаритам является разнесение изолируемых проводников и компонентов по разным слоям.

Соблюдение требуемых стандартом расстояний при проектировании топологии печатной платы может оказаться недостаточным, так как наличие компонентов и конструктивных элементов изделия делает задачу трёхмерной. Поэтому использование 3D-моделей компонентов и общей сборки изделия является необходимым условием при проектировании изделий с опасными уровнями напряжения.

Помимо соблюдения требований к минимальным расстояниям, при разработке печатных плат для высоковольтных приложений рекомендуется избегать острых углов в геометрии проводящих слоёв (рис. 6), так как они являются концентраторами напряжённости электрического поля.

Читайте также:  Что означает класс напряжения

С точки зрения ЭМС изоляционный барьер является разрывом в пути возвратного тока, что без реализации специальных мер приводит к повышенному уровню излучения, особенно в случае изолированных источников питания. Как и в случае разрывов в опорном слое, для обеспечения пути протекания возвратных токов через изоляционный барьер применяются конденсаторы. Требования к дискретным конденсаторам и примеры их применения описаны в разделе G.15 приложения G «Компоненты» стандарта. В изоляции опасных уровней напряжения применяются только конденсаторы класса Y, выход из строя которых приводит к разрыву цепи: для сети переменного тока 220 В класса перенапряжения II это один конденсатор подкласса Y1 или два последовательно соединённых конденсатора подкласса Y2. Безопасность таких конденсаторов гарантируется производителем, однако паразитная индуктивность соединения и локализованное расположение ограничивают их эффективность на частотах выше 100 МГц. Этого недостатка лишена встроенная в печатную плату ёмкость, распределённая между двумя перекрывающимися полигонами на внутренних слоях (рис. 7).

При этом важно понимать, что даже полное следование рекомендациям стандарта в части минимальных расстояний между проводниками не гарантирует электробезопасности. Только результаты испытаний изоляции на электрическую прочность (раздел 5.4.11 стандарта) могут подтвердить соответствие топологии печатной платы, применяемых материалов и компонентов, конструкции изделия и технологии его изготовления требованиям безопасности для конкретных условий применения.

Источник



Базовые материалы, применяющиеся при изготовлении печатных плат

Наша компания изготавливает печатные платы из высококачественных отечественных и импортных материалов, начиная от типового FR4 и заканчивая СВЧ-материалами ФАФ. Типовые конструкции печатных плат основаны на применении стандартного стеклотекстолита типа FR4, с рабочей температурой от –50 до +110 °C, и температурой стеклования Tg (размягчения) около 135 °C. При повышенных требованиях к термостойкости или при монтаже плат в печи по бессвинцовой технологии (t до 260 °C) применяется высокотемпературный FR4 High Tg.

Tолщина меди, мкм

Tолщина меди, мкм

«+» — Как правило, в наличии «+/-» — По запросу (имеется в наличии не всегда)

Препрег («связующий» слой) для многослойных печатных плат

Тип препрега Толщина после прессования Возможное отклонение
1080 0,0686 мм –0,005/+0,020 мм
7628 0,180 мм –0,005/+0,025 мм

Диэлектрическая проницаемость препрега FR4 может составлять от 3.8 до 4.4 в зависимости от марки.

— стеклотекстолит фольгированный с номинальной толщиной от 0.1 до 3 мм, облицованный медной фольгой толщиной от 18 до 105 мкм с одной или двух сторон, производства Zhejiang Huazheng New Material. На центральном слое обычно находится логотип производителя, цвет его отражает класс горючести данного материала (красный — UL94-VO, синий — UL94-HB). Обычно, FR-4 — прозрачен, стандартный зелёный цвет определяется цветом паяльной маски, нанесённой на законченную печатную плату

— Фольгированный диэлектрик с низким показателем температурного расширения по оси Z и с высокой температурой стеклования Tg для бессвинцовой пайки, с номинальной толщиной от 0.1 до 2 мм, облицованный медной фольгой толщиной от 18 до 70 мкм с одной или двух сторон, производства Zhejiang Huazheng New Material.

>>>> Подробные технические характеристики препрега и стеклотекстолита

представляет собой слоистый прессованный материал на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим, облицованный с одной или двух сторон медной электролитической фольгой.

поверхностное электрическое сопротивление (Ом): 7 х 1011;

удельное объемное электрическое сопротивление (Ом м): 1 х 1012;

диэлектрическая проницаемость : 4,8;

прочность на отслаивание фольги (Н): 1,8.

представляют собой армированный стеклотканью фторопласт, облицованный с обеих сторон медной фольгой. Применение:- в качестве оснований печатных плат работающих в диапазоне СВЧ; — электрическая изоляция для печатных элементов приемно-передающей аппаратуры;- способны длительно работать в интервале температур от -60 до +250° С.

Прочность сцепления фольги с основанием на полоску 10 мм, Н (кгс), не менее 17,6(1,8)

Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц, не более 7 х 10-4

Диэлектрическая проницаемость при частоте 1 МГц 2,5 ± 0,1

Выпускаемые размеры листов, мм (предельное отклонение по ширине и длине листа 10 мм.) 500х500

представляют собой фторопластовый армированный фольгированный ламинат толщиной 1.5 и 2мм и медной фольгой толщиной 0,035. Применение:- в качестве оснований печатных плат работающих в диапазоне СВЧ, способных длительно работать в интервале температур от -60 до +260° С. Условное обозначение – F4BM350, где F4B обозначает, что листы изготовлены прессованием, M – листы облицованы с двух сторон медной фольгой, а цифра 350 означают диэлектрическую проницаемость – 3,50 соответственно.

Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 10ГГц, не более 7х10-4

Диэлектрическая проницаемость при частоте 10 ГГц 3,5 ± 2%

Рабочая температура -60 +260° С

Выпускаемые размеры листов, мм (предельное отклонение по ширине и длине листа 10 мм.) 500х500

Читайте также:  Каким напряжением заряжать гибридный акб

материал из теплопроводящего полимера на основе керамики с алюминиевым основанием.

Внимание: В наличии есть Type 1 и Type 3, указывайте тип при заказе.

материал из теплопроводящего полимера на основе керамики с алюминиевым основанием, используются в том случае, когда предполагается использовать компоненты, выделяющие значительную тепловую мощность (например сверхяркие светодиоды, лазерные излучатели и т.д.). Основными свойствами материала являются отличное рассеяние тепла и повышенная электрическая прочность диэлектрика при воздействии высоких напряжений:

Толщина алюминиевого основания – 1.5 мм

Толщина диэлектрика — 100 мкм

Толщина медной фольги – 35 мкм Т

еплопроводность диэлектрика — 2.2 W/mK

Тепловое сопротивление диэлектрика — 0.7°C/W

Теплопроводность алюминиевой подложки (5052 — аналог АМг2,5) — 138 W/mK

Напряжение пробоя – 3 KV

Температура стеклования (Tg) – 130

Объёмное сопротивление – 108 MΩ×см

Поверхностное сопротивление — 106 MΩ

Наибольшее рабочее напряжение(CTI) – 600V

Защитные паяльные маски, применяемые при производстве печатных плат

Паяльная маска (она же «зеленка») – слой прочного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Маска закрывает проводники и оставляет открытыми контактные площадки и ножевые разъемы. Способ нанесения паяльной маски аналогичен нанесению фоторезиста – при помощи фотошаблона с рисунком площадок нанесённый на ПП материал маски засвечивается и полимеризуется, участки с площадками для пайки оказываются незасвеченными и маска смывается с них после проявки. Чаще всего паяльная маска наносится на слой меди. Поэтому перед её формированием защитный слой олова снимают – иначе олово под маской вспучится от нагревания платы при пайке.

PSR-4000 H85

IMAGECURE XV-501

– цветная (красная, чёрная, синяя), жидкая двухкомпонентная паяльная маска, фирмы Coates Electrografics Ltd (Англия), толщина 15-30 мкм;

PSR-4000 LEW3

– белая, жидкая двухкомпонентная паяльная маска, фирмы TAIYO INK (Япония), толщина 15-30 мкм;

Laminar D5030

– сухая, пленочная маска фирмы DUNACHEM (Германия), толщина 75 мкм, обеспечивает тентирование переходных отверстий, обладает высокой адгезией.

Маркировка

Термоотверждаемые маркировочные краски, наносимые сеткографическим способом SunChemical(Великобритания).

Маркировочные чернила AGFA DiPaMat Legend Ink Wh04(белая)

Акриловые UV + термоотверждаемые чернила, для струйной печати маркировки на индустриальном принтере.

Источник

Зазор между проводниками на печатной плате vs Максимально допустимое напряжение

По роду работы периодически приходится мастерить сетевые и/или высоковольтные источники питания. Когда только начинал этим заниматься, постоянно вставал вопрос о минимальном зазоре между элементами токопроводящего рисунка печатной платы в критичных местах источника. В итоге нашел ГОСТ 23751-86, в котором этот вопрос освещен. Ну и по итогам прочтения сего документа сделал для себя экселовский файл с картинками, чтобы было удобнее определять минимальный зазор для того или иного напряжения.

В файле есть три закладки, две из которых («Стеклотекстолит фольгированный» и «Гетинакс фольгированный») являются рабочими, а одна («Таблицы параметров») – служебной. В каждой из двух рабочих закладок можно выбрать один из четырех типов внешних факторов:

— нормальные условия;
— относительная влажность (93+/-3)% при температуре (40+/-2)*С в течение 48 часов;
— пониженное атмосферное давление (400 мм рт. ст.);
— пониженное атмосферное давление (5 мм рт. ст.).

Тип внешних факторов выбирается в каждой закладке в ячейке, помеченной зеленым цветом.

Для удобства отображения данных каждый график Зазор vs Напряжение разбит на две части. В правой части изображены графики зависимости для значений зазора не более 10мм, в левой – для значений от 10 до 15мм.

Отмеченные точки на графиках – это значения, взятые из Таблицы 8 ГОСТ 23751-86 (именно на эти значения нужно ориентироваться). Для наглядности данные точки соединены отрезками. Ну а поскольку графики, сформированные этими отрезками, получаются достаточно корявыми, для справки в том же окне построена их аппроксимация полиномом второй степени (как говорят наши математики – в экселе в большинстве случаев наиболее удачная).

UPD: Для проектирования неэкзотических вариантов импульсников — человеческий линейный (а не тупорылый логарифмический) вид графика для напряжений до 1кВ:

А в конце заметки — экселовский файл, из которого сделан этот скриншот (на файлообменник лить не стал — там какой-то ужоснах сегодня, ни хера не загружается)./UPD

Вроде всё:) Данный файл обнаружил на локальном диске Д как всегда внезапно. По работе давно уже пользуюсь распечатанными версиями этих графиков для нормальных условий, а тут стал шариться на винте – бах, файл нашелся! Ну и подумал – вдруг кому пригодится.

P.S. Я так понимаю, что ГОСТ 23751-86 рассматривает печатные платы без паяльной маски, тем паче, что разных советских плат с маской 80-х годов мне попадалось от силы полтора-два десятка

Содержание архивов (архивы также прилеплены к заметке):

GOST_23751-86.zip:
ГОСТ 23751-86_Платы_печатные_Основные_параметры_конструкции.pdf – довольно говенный скан ГОСТ 23751-86.

Источник

Adblock
detector