Consigli per il progetto di PCB ad alta tensione: materiali per PCB ad alta tensione

 

Oltre a progettare circuiti elettrici e a correre per ridurre lo stress sono appassionato di lavoro a maglia. Mia nonna mi insegnò questa attività quando andavo a scuola e, a mia volta, ho insegnato a farlo ad una dozzina di persone. Prima della parte più divertente, che è quella di lavorare a maglia per creare dei capi, occorre scegliere il gomitolo. Il vestito è per un neonato? In questo caso va scelto un tessuto morbido ma anche lavabile in lavatrice così la mamma può usare il capo di abbigliamento senza preoccuparsi di doverlo poi lavare a mano. E se da prurito? Cosa scegliere se qualcuno è allergico alla lana? Deve essere un vestito che tiene la forma o meglio se diventa più ampio con l’uso?

Prima di iniziare effettivamente a lavorare a maglia occorre considerare tutti questi elementi altrimenti si rischia di dover ogni volta ricominciare da capo. La stessa cosa si verifica quando selezionate i materiali per un PCB. All’inizio della vostra carriera come progettisti di PCB probabilmente non prestavate troppa attenzione alle specifiche ma, a meno che il progetto non fosse altamente specializzato, il risultato era comunque buono. Ora che avete maggiore esperienza e vi dedicate a progetti ad alto voltaggio o ad altre applicazioni di nicchia iniziate fare attenzione anche ad ulteriori requisiti di progetto.

Scegliere il materiale giusto per il PCB

La base di un PCB è la scheda stessa, per cui il materiale di cui è composta è il primo da tenere in considerazione. Occorre scegliere il corretto materiale in funzione dei requisiti sulle prestazioni ma anche in funzione dell'ambiente operativo, dato che ha un’influenza considerevole su come la scheda invecchia.

Per il progetto di un PCB ad alta tensione occorre una scheda il cui materiale sia specificatamente progettato per sopportare sovratensioni, oltre alle normali tensioni operative. Di seguito abbiamo riportato una lista dei materiali più indicati:

  • Laminato FR4: il FR4 è caratterizzato da una rigidità dielettrica estremamente elevata. Tuttavia è più poroso del BT epossilico e della poliammide il che aumenta il rischio che la scheda diventi contaminata. Inoltre i bordi hanno una struttura debole e se i bordi si spaccando il valore della rigidità dielettrica diminuisce. L’invecchiamento diventa un problema, specie per i componenti elettronici vicino al bordo. Il FR4 non ha protezioni, o capacità di recupero, contro la carbonizzazione che avviene durante i fenomeni di sovratensione.
  • BT epossidico: il BT epossidico è una resina termoindurente che ha forti pareti laterali ed è migliore per le applicazioni con bobina planare e circuiti a medio voltaggio.
  • Isola e laminati ad alta tensione: esistono vari laminati ad alta tensione presenti sul mercato e Isola è uno dei più conosciuti ed è in grado di estinguere archi e creare uno strato di base non conduttivo. Anche se sembra il prodotto perfetto per applicazioni ad alta tensione occorre tenere presente che causa delle restrizioni nel progetto. Questi laminati, infatti, sono solitamente estremamente costosi ed è possibile produrre solo schede a lato singolo o schede doppio lato molto semplici.

Quando si inizia a parlare della fase di produzione è bene avere i datasheet di tutte le opzioni del produttore e verificare che le prestazioni siano adeguate ai requisiti. Inoltre non è buona norma utilizzare isolanti di tipo diverso sulla scheda. Le differenze nelle proprietà dei materiali causano problemi nella fase di produzione e problemi di prestazioni in seguito.

 

Non combinate materiali isolanti di diverso tipo negli strati di un PCB

 

Verificare il contenuto di vetro e resina

Se il dato sul contenuto di vetro e resina non è presente nel datasheet o nelle guide del produttore che ricevete, chiedetelo specificatamente. Nei PCB ad elevato voltaggio è importante avere un elevato contenuto di resina per minimizzare i vuoti tra gli strati del laminato e per cambiare il valore effettivo del dielettrico della scheda. Inoltre è importante avere un basso contenuto di vetro per permettere alla resina di penetrare.

Per le resine i gradienti di voltaggio sono indicati in unità [VDC/mil]. Dovere verificare che il gradiente di voltaggio della resina tra gli strati isolanti sia inferiore al valore di derating dovuto all’invecchiamento. Per conoscere il gradiente di voltaggio in AC utilizzate la metà del valore del gradiente in DC.

Scegliere i giusti conduttori

Una volta scelti i corretti strati in laminato e la resina per il layout del PCB, è possibile passare ai conduttori. Lo spazio tra le tracce e i punti di collegamento (pad) è determinato dagli standard applicabili e dalla sicurezza. Ad esempio lo standard MIL-STD-275 consiglia una spaziatura di 8V/mil. Occorre comunque tenere presente che molti di questi standard sono vecchi e non sono stati aggiornati per tenere conto dei nuovi materiali come HVPF e Kapton che possono gestire fino a 1000 V/mil.

È anche importante verificare la qualità del rame utilizzato. Scegliete un peso di rame per le vostre tracce adeguato sia allo stress meccanico che elettrico. Tracce di rame a 1-3 once possono avere guasti se si verificano sovracorrenti, mentre tracce a 1-2 once sono soggette a stress meccanico. Qualsiasi incremento del peso, anche leggero, migliora la capacità di sopravvivenza della scheda.

 

Prima di inviare il progetto in produzione specificate il peso del rame da utilizzare. Pesi troppo bassi non sono in grado di sostenere applicazioni ad alta tensione.

 

Chiedere informazioni sulla finitura

In ultimo chiedete al produttore informazioni sulla finitura della scheda. Se la superficie della scheda non è perfetta e sono presenti protuberanze, particelle estranee, elementi contaminanti o le caratteristiche non sono uniformi è più probabile l’insorgere di archi elettrici che possono danneggiare anche i materiali più costosi che avete scelto accuratamente. Sul conduttore zone non lisce o graffi creano aree dove si concentra la forza del campo elettrico e si possono creare archi anche a bassa tensione. Accertatevi che le schede siano lavorate in modo che vengano protette da eventuali danni che possono diminuire significativamente le loro prestazioni ad elevati voltaggi.

 

I graffi negli strati in rame aumentano i rischi di archi elettrici.

 

Anche se scegliere dielettrici e conduttori è decisamente più costoso che scegliere un gomitolo di lana non deve necessariamente essere più difficile. Utilizzando strumenti che gestiscono i requisiti prestazionali e le tolleranze in un unico luogo diventa più semplice identificare cosa serve davvero e risparmiare soldi non utilizzando componenti non necessari. Software CAD per elettronica come Altium Designer e Altium Vault rendono più semplice gestire il progetto e la catena dei fornitori; in questo modo potete finire il lavoro prima e tornare a lavorare a maglia, a correre o a praticare qualsiasi altro hobby.

Avete domande sui materiali da utilizzare nei progetti ad elevata tensione? Contattate un esperto di Altium.

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