Multi-layer PCB-spanningsweerstand: het garanderen van laag-op-laag isolatie in kritieke toepassingen

Foto's die door de klant zijn goedgekeurd

Bij meerlaagse PCB's die worden gebruikt in alles van industriële motor aandrijvingen tot medische beeldvormende apparatuur is laag-op-laag isolatie niet alleen een ontwerpdetail: het is een noodzaak voor veiligheid en betrouwbaarheid.Deze platen stapelen 4 ¢ 40 + lagen van koper en dielectrisch materiaalEen enkele isolatiefout kan bochten, kortsluitingen of zelfs branden veroorzaken.het begrijpen van hoe de spanningsweerstand kan worden geoptimaliseerd door materiaalkeuze, ontwerpkeuzes en testen kunnen veldfouten met 60% verminderen en de naleving van normen zoals IPC-2221 en UL 94 waarborgen.Dit is hoe je meerlaagse PCB's ontwerpt die veilig hun beoogde spanningen hanteren.

Belangrijkste lessen
a. De weerstand tegen laag-op-laag spanning is afhankelijk van het dielectrische materiaal, de isolatiedichtheid en omgevingsfactoren (temperatuur, vochtigheid).
b.PCB's op basis van FR-4 zijn geschikt voor toepassingen met een lage spanning (≤ 500 V), terwijl voor hoogspanningssystemen gespecialiseerde materialen zoals PTFE of keramisch gevulde laminaat nodig zijn.
c. Ontwerpveranderingen in afgeronde sporen, uniforme afstand en randvrijheid verminderen de risico's van corona-ontlading in hoogspanningspcbs.
d.De test volgens IPC-TM-650-normen (bijv. dielectrische breukspanning) zorgt voor betrouwbaarheid onder moeilijke omstandigheden.

Waarom laag-tot-laagspanning bestand is tegen materie
Multi-layer PCB's scheiden de stroom-, grond- en signaallagen, maar aangrenzende lagen werken vaak op verschillende potentialen.

a.Een 3-fasige industriële regelaar kan 480 V wisselstroom hebben tussen stroomlagen.
b.Een EV-batterijbeheersysteem (BMS) heeft 600V+ tussen de hoogspanningslaag en de signaallaag.
c. Een medische defibrillator gebruikt 2 kV tussen de energieopslag- en controlelagen.

Als de isolatie uitvalt, kunnen er stromingsbochten tussen de lagen ontstaan, smelten, onderdelen beschadigen of veiligheidsrisico's veroorzaken.000 per incident (inclusief stilstand en reparaties), volgens een enquête van de IEEE.

Factoren die van invloed zijn op de spanningsweerstand in meerlagige PCB's
Drie kernfactoren bepalen het vermogen van een PCB om laag-op-laagspanning te weerstaan:

1. Eigenschappen van dielektrische materialen
De isolatielaag (diëlektrische) tussen koperschichten is de eerste verdedigingslinie.

a.Dielectrische sterkte: de maximale spanning die een materiaal kan weerstaan voordat het wordt gebogen (gemeten in kV/mm).
b.Volumeweerstand: een maat voor de isolatieweerstand (hoger = beter, gemeten in Ω·cm).
c.Temperatuurstabiliteit: de isolatieprestaties verslechteren bij hoge temperaturen; materialen met een hoge glasovergang (Tg) behouden hun sterkte.

2Isolatiedikte
Dikkere dielectrische lagen verhogen de spanningsbestendigheid, maar met afwegingen:

a. Een 0,2 mm FR-4-laag weerstaat ~3 kV; een verdubbeling van de dikte tot 0,4 mm verhoogt de weerstand tot ~6 kV (lineaire relatie voor de meeste materialen).
b.De dikkere lagen verhogen echter het gewicht van de PCB's en verminderen de signaalintegriteit bij designs met hoge snelheid (bijv. 5G).

Voor hoogspannings-PCB's gebruiken ingenieurs “veiligheidsmarges”: ontwerpen voor 2 “3x de bedrijfsspanning. Een 1kV-systeem moet bijvoorbeeld isolatie gebruiken voor 2 “3kV om spanningspieken te verklaren.

3Omgevingsstressoren
De omstandigheden in de echte wereld verminderen de isolatie na verloop van tijd:

a.temperatuur: elke verhoging van 10°C boven 25°C vermindert de dielectrische sterkte met 5·8% (bijv. verliest FR-4 bij 100°C 30% van zijn sterkte bij kamertemperatuur).
b.Vochtigheid: Vochtabsorptie (algemeen bij niet-gecoate PCB's) verlaagt de weerstand. Een 1 mm FR-4-laag met 90% vochtigheid kan een 50% lagere weerstandsspanning opleveren.
c.Verontreiniging: stof, oliën of vloeistofresidu's creëren geleidende paden.

Ontwerpstrategieën om de spanning te verhogen
Het ontwerpen van meerlagige PCB's voor hoge spanning vereist proactieve ontwerpkeuzes:

1. Materiaal dat voldoet aan de spanningsbehoeften
Laagspanning (≤ 500 V): standaard FR-4 met 0,1 ∼ 0,2 mm dielectrische lagen werkt voor consumentenelektronica (bijv. slimme tv's, routers).
Middenspanning (500V ∼5kV): High-Tg FR-4 of polyimide (PI) met 0,2 ∼0,5 mm lagen is geschikt voor industriële sensoren en EV-oplaadpoorten.
Hoge spanning (5kV+): PTFE- of keramisch gevulde laminaat (lagen van 0,5 ∼2 mm) zijn van cruciaal belang voor krachtomvormers en medische defibrillatoren.

2. Vermindering van risico's van “Corona-ontlading”
Hoogspanningselektrische velden concentreren zich op scherpe randen (bijv. 90° spoorhoeken of blootgesteld koper), waardoor coronaontlading – kleine vonken ontstaan die de isolatie in de loop van de tijd eroderen.

Afgeronde sporen: Gebruik 45° of gebogen hoeken in plaats van 90° hoeken om elektrische velden te verdelen.
Verhoogde afstand: Houd hoogspanningsspuren 3x verder uit elkaar dan laagspanningsspuren (bijv. 3 mm tegenover 1 mm voor 1 kV).
Grondvlakken: Voeg een geaarde “schild”-laag toe tussen hoog- en laagspanningslagen om elektrische velden te bevatten.

3. Randvrijheid en laagstapeling
Rande-afstand: Zorg ervoor dat de koperschichten 2 ̊5 mm voor de PCB-rand eindigen om boogvorming tussen de blootgestelde lagen te voorkomen.
Symmetrische stapeling: balanslaaggetallen (bijv. 4 lagen: signaal/grond/vermogen/signaal) om vervorming te voorkomen, waardoor dielektrische lagen kunnen barsten.
Vermijd overlappende vias: Stagger vias tussen lagen om geleidende paden door isolatie te voorkomen.

Testen en valideren: betrouwbaarheid waarborgen
Geen ontwerp is compleet zonder strenge testen:

1Dielectrische afbraakonderzoek
Metode: verhoogde AC/DC-spanning wordt toegepast tussen de lagen totdat er een boog ontstaat; de afbraakspanning wordt geregistreerd.
Standard: IPC-TM-650 2.5.6.2 specificeert de testomstandigheden (bijv. 50 Hz wisselstroom, 1 kV/sec rampfrequentie).
Goedkeuringscriteria: de breukspanning moet 2x hoger zijn dan de bedrijfsspanning (bijvoorbeeld 2 kV voor een 1 kV-systeem).

2. Partiële ontlading (PD) testen
Doel: detecteert kleine, niet-destructieve ontladingen (corona) die een toekomstig falen signaliseren.
Toepassing: Critisch voor hoogspannings-PCB's (5kV+); PD-niveaus > 10pC geven aan dat de isolatie zwak is.

3. Omgevingsonderzoek
Thermische cyclus: test bij -40 °C tot 125 °C gedurende meer dan 1000 cycli om veroudering te simuleren.
Vochtigheidstest: 85°C/85% RH gedurende 1000 uur om de vochtbestendigheid te controleren.

Echte toepassingen en resultaten
a.Industriële omvormers: een 3kV-motor aandrijving met behulp van 0,5 mm PTFE-lagen (15kV) verminderde veldfalen met 70% in vergelijking met FR-4-ontwerpen.
b.EV-oplaadstations: 600-V-systemen met FR-4 met een hoge Tg-waarde (0,3 mm-lagen) en een conform coating behouden een betrouwbaarheid van 100% gedurende meer dan 5000 oplaadcycli.
c.Medische beeldvorming: 2kV-röntgenapparaten met keramisch gevulde laminaatlagen (1mm-lagen) hebben de IEC 60601-1-veiligheidsnormen doorstaan, zonder dat bij 3kV PD is gedetecteerd.

Vaak gestelde vragen
V: Kunnen meerlaagse PCB's met meer dan 40 lagen hoge spanning verwerken?
A: Ja, maar laagstapeling is cruciaal. Verander hoogspanningslagen met grondvlakken om dwarslaagboogvorming te voorkomen en gebruik dikkere dielektrische (0,3 mm+) tussen hoogspanningsparen.

V: Hoe beïnvloedt het aantal lagen de spanning?
A: Meer lagen verhogen het risico op storingen tussen de lagen, maar een goede afstand en afschirming verminderen dit. Een 12-laag PCB met 0,2 mm PTFE tussen hoogspanningslagen kan veilig 5kV verwerken.

V: Wat is de goedkoopste manier om de spanning te verhogen?
A: Voor lage-spanning ontwerpen, verhoging dielectrische dikte (bijv. 0,2 mm vs. 0,1 mm FR-4) voegt minimale kosten terwijl het verdubbelen van het weerstaan van de capaciteit.

Conclusies
Een meerdere lagen PCB-spanningsweerstand is een balans tussen materiaalwetenschap, ontwerpdiscipline en milieubewustzijn.En we testen ze streng., kunnen ingenieurs garanderen dat de laag-tot-laag isolatie ook in de zwaarste toepassingen blijft.Voor hoogspanningssystemen – waar falen geen optie is – is deze proactieve aanpak niet alleen goed ingenieurswerkHet is essentieel.