다층 PCB 내전압: 중요 애플리케이션에서 레이어 간 절연 보장

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산업용 모터 드라이브에서 의료 이미지 장비에 이르기까지 모든 분야에서 사용되는 다층 PCB의 경우, 층간 단열은 단순한 설계 세부 사항이 아니라 안전과 신뢰성 필수 요소입니다.이 보드는 구리와 다이렉트릭 물질의 4~40+ 층을 쌓아, 인접층이 종종 높은 전압 (100V ~ 10kV +) 을 운반합니다. 단 하나의 단열 장애는 활, 단회로 또는 화재까지 유발할 수 있습니다.소재 선택을 통해 전압 견딜 수 있는 능력을 최적화하는 방법을 이해, 설계 선택 및 테스트는 현장 장애를 60% 감소시키고 IPC-2221 및 UL 94와 같은 표준을 준수 할 수 있습니다.여기선 원하는 전압을 안전하게 처리할 수 있는 다층 PCB를 설계하는 방법입니다..

주요 내용
a.층간 전압 저항은 다이 일렉트릭 물질, 단열 두께 및 환경 요인 (온도, 습도) 에 달려 있습니다.
b.FR-4 기반 PCB는 저전압 (≤500V) 용도로 작동하지만 고전압 시스템은 PTFE 또는 세라믹으로 채워진 라미네이트와 같은 전문 재료가 필요합니다.
c. 디자인 트위크는 둥근 흔적, 균일한 간격 및 가장자리 클리어런스를 사용하여 고전압 PCB의 코로나 배charge 위험을 줄입니다.
d. IPC-TM-650 표준 (예를 들어, 다이 일렉트릭 분해 전압) 에 대한 테스트는 열악한 조건에서 신뢰성을 보장합니다.

왜 층 간 전압 이 문제 를 견딜 수 있는가
다층 PCB는 전력, 지상 및 신호 계층을 분리하지만 인접층은 종종 다른 잠재력으로 작동합니다. 예를 들어:

a. 3단계 산업 제어기는 전력 계층 사이에 480V AC를 가질 수 있다.
b. EV 배터리 관리 시스템 (BMS) 은 고전압 계층과 신호 계층 사이에 600V+가 있습니다.
c. 의료 디피브리레이터는 에너지 저장층과 제어층 사이에 2kV를 사용합니다.

단열 장치 가 고장 났을 경우, 층 사이 의 전류 도경, 녹는 흔적, 부품 의 손상, 안전 위험성 을 초래 한다. 산업 환경 에서 그러한 고장 들 은 평균 $20,사고당 000명 (공전 시간 및 수리 기간 포함)IEEE의 조사에 따르면

다층 PCB 의 전압 저항에 영향을 미치는 요인
세 가지 핵심 요소가 PCB의 층간 전압에 저항하는 능력을 결정합니다.

1다이렉트릭 물질의 특성
구리 층 사이 에 있는 방열 층 (다일렉트릭) 은 첫 번째 방어 라인 이다. 주요 지표 는 다음 과 같다.

a.다일렉트릭 강도 (Dielectric strength): 금속이 활을 뚫기 전에 저항할 수 있는 최대 전압 (kV/mm로 측정된다).
부피 저항성: 단열 저항의 척도 (더 높은 = 더 나은, Ω·cm로 측정된다).
c. 온도 안정성: 고온에서 단열 성능이 저하됩니다. 높은 유리 전환 (Tg) 이있는 재료는 강도를 유지합니다.

2방열 두께
더 두꺼운 다이 일렉트릭 층은 전압 견딜 수있는 능력을 증가하지만 타협:

a. 0.2mm FR-4 층은 ~ 3kV를 견딜 수 있습니다. 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 두 배로 나눌 수 있습니다.
b. 그러나 두꺼운 층은 PCB 무게를 증가시키고 고속 설계 (예: 5G) 에서 신호 무결성을 감소시킵니다.

고전압 PCB의 경우 엔지니어는 안전 마진을 사용합니다. 작동 전압의 2 × 3 배를 설계합니다. 예를 들어 1kV 시스템은 전압 스파이크를 고려하기 위해 2 × 3kV로 지정된 단열을 사용해야합니다.

3환경적 스트레스 요인
실제 환경은 시간이 지남에 따라 단열을 손상시킵니다.

a.온도: 25°C 이상으로 10°C 상승할 때마다 변압 강도가 5~8% 감소한다 (예를 들어, FR-4는 100°C에서 방온 강도의 30%를 잃는다).
b. 습도: 수분 흡수 (부연되지 않은 PCB에서 흔한) 는 저항성을 낮춰줍니다. 90%의 습도에 1mm FR-4 층은 50% 더 낮은 저항 전압을 볼 수 있습니다.
오염: 먼지, 기름 또는 흐름 잔류는 전도 경로를 만듭니다. 산업용 PCB는 종종 단열을 봉쇄하기 위해 합동 코팅 (예: 실리콘) 을 사용합니다.

전압 을 증가 시키기 위한 설계 전략
고전압용 다층 PCB를 설계하려면 적극적인 설계 선택이 필요합니다.

1전압 요구에 맞는 재료
저전압 (≤500V): 0.1~0.2mm 다이렉트릭 층을 가진 표준 FR-4는 소비자 전자제품 (예를 들어, 스마트 TV, 라우터) 에 사용됩니다.
중전압 (500V5kV): 0.2~0.5mm 층의 고-Tg FR-4 또는 폴리마이드 (PI) 는 산업 센서와 EV 충전 포트에 적합합니다.
고전압 (5kV+): PTFE 또는 세라믹으로 채워진 라미네이트 (0.5~2mm 층) 는 전력 인버터와 의료 디피브리레이터에 매우 중요합니다.

2. 코로나 퇴출의 위험을 줄이는 것
고전압 전기장은 날카로운 가장자리에 집중 (예를 들어, 90 ° 흔적 코너 또는 노출 된 구리) 로 코로나 방출을 생성하여 시간이 지남에 따라 단열을 침식시키는 작은 불꽃을 만듭니다. 수정 사항은 다음과 같습니다:

둥근 흔적: 전기장을 분산하기 위해 90° 각 대신 45° 또는 곡각을 사용한다.
더 많은 거리: 저전압보다 3배 더 멀리 높은 전압 흔적을 유지하십시오 (예를 들어, 1kV에 3mm 대 1mm).
지상 평면: 높은 전압 및 낮은 전압 층 사이에 지상 된 ′′ 방패 ′′ 층을 추가하여 전기장을 포함합니다.

3엣지 클리어런스 & 레이어 스택
가장자리 간격: 노출 된 층 사이의 아크를 방지하기 위해 구리 층이 PCB 가장자리보다 2~5mm 전에 끝나는지 확인하십시오.
대칭 스파킹: 이 전기 계층을 찢을 수 있는 변형을 피하기 위해 평형 계층 수 (예를 들어, 4 계층: 신호/지상/전력/신호)
겹치는 비아스를 피하십시오: 단열을 통해 전도 경로를 방지하기 위해 층 사이의 스태거 비아스를 사용하십시오.

시험 및 검증: 신뢰성 확보
엄격한 테스트 없이 디자인은 완성되지 않습니다.

1다이렉트릭 붕괴 테스트
방법: 활이 발생하기 전까지 계층 사이에 AC/DC 전압을 증가시키는 것을 적용하고, 고장 전압을 기록한다.
표준: IPC-TM-650 2.5.6.2 테스트 조건 (예를 들어, 50Hz AC, 1kV/sec 램프 속도) 을 지정한다.
합격 기준: 고장 전압은 작동 전압의 2배를 초과해야 합니다. (예를 들어, 1kV 시스템에서는 2kV).

2부분 방출 (PD) 테스트
목적: 미래의 실패를 알리는 작고 파괴적이지 않은 방출 (코로나) 를 감지합니다.
적용: 고전압 PCB (5kV+) 에 매우 중요합니다. PD 수준 > 10pC는 단열 약점을 나타냅니다.

3환경 테스트
열 사이클: 노화를 시뮬레이션하기 위해 -40°C ~ 125°C에서 1,000~~~~ 회로 테스트합니다.
습도 검사: 습도 저항성을 확인하기 위해 85°C/85% RH 1,000시간 동안

실제 세계 응용 및 결과
a.산업 인버터: 0.5mm PTFE 층 (등급 15kV) 을 사용하는 3kV 모터 드라이브는 FR-4 설계에 비해 필드 장애를 70% 감소시킵니다.
b.EV 충전소: 높은 Tg FR-4 (0.3mm 층) 및 컨포멀 코팅을 가진 600V 시스템은 5000+ 충전 주기에 걸쳐 100% 신뢰성을 유지했습니다.
c. 의료 영상: 세라믹으로 채워진 라미네이트 (1mm 층) 를 사용하는 2kV X선 기계는 IEC 60601-1 안전 표준을 통과했으며 3kV에서는 PD가 검출되지 않았습니다.

자주 묻는 질문
Q: 40층 이상의 다층 PCB가 고전압을 처리할 수 있나요?
A: 예, 하지만 레이어 스택 은 매우 중요합니다. 크로스 레이어 아크 를 방지 하기 위해 고전압 레이어 와 지상 평면 을 번갈아, 고전압 쌍 사이 에 더 두꺼운 다이 일렉트릭 (0.3mm+) 을 사용 합니다.

질문: 계층 수치가 전압 저항에 어떤 영향을 미치나요?
A: 더 많은 층이 횡단 계층 장애의 위험을 증가시키지만 적절한 간격과 보호 장치가 이를 완화합니다. 고전압 계층 사이에 0.2mm PTFE가있는 12층 PCB는 5kV를 안전하게 처리 할 수 있습니다.

Q: 전압 저항을 높이는 가장 저렴한 방법은 무엇입니까?
A: 저전압 설계의 경우, 변압기 두께를 증가시키는 것 (예를 들어, 0.2mm 대 0.1mm FR-4) 은 견딜 수 있는 능력을 두 배로 증가시키는 동시에 최소한의 비용을 추가합니다.

결론
다층 PCB 전압 저항은 재료 과학, 설계 규율, 환경 의식의 균형입니다.그리고 엄격하게 시험합니다., 엔지니어는 가장 어려운 응용 프로그램에서도 층에서 층 단열을 유지할 수 있습니다.고전압 시스템에서 실패가 선택이 아닌 경우: 그것은 필수적입니다.