Tahan Tegangan PCB Multi-Layer: Memastikan Isolasi Layer-to-Layer di Aplikasi Kritis

Gambar yang disetujui pelanggan

Dalam PCB multi-lapisan yang digunakan dalam segala hal mulai dari penggerak motor industri hingga peralatan pencitraan medis, isolasi lapisan ke lapisan bukan hanya detail desain: itu adalah keamanan dan keandalan yang penting.Papan-papan ini menumpuk 4~40+ lapisan tembaga dan bahan dielektrik, dengan lapisan berdekatan sering membawa tegangan tinggi (100V sampai 10kV +). kegagalan isolasi tunggal dapat menyebabkan busur, sirkuit pendek, atau bahkan kebakaran.memahami bagaimana mengoptimalkan daya tahan tegangan melalui pemilihan bahan, pilihan desain, dan pengujian dapat mengurangi kegagalan lapangan sebesar 60% dan memastikan kepatuhan terhadap standar seperti IPC-2221 dan UL 94.Berikut adalah cara untuk merancang PCB multi-lapisan yang aman menangani tegangan yang dimaksudkan.

Hal-Hal Utama
a.Layer-to-layer tegangan tahan tergantung pada bahan dielektrik, ketebalan isolasi, dan faktor lingkungan (suhu, kelembaban).
PCB berbasis FR-4 bekerja untuk aplikasi tegangan rendah (≤500V), sedangkan sistem tegangan tinggi membutuhkan bahan khusus seperti PTFE atau keramik yang diisi laminat.
c. Desain tweaks √ jejak bulat, jarak seragam, dan kelonggaran tepi √ mengurangi √ risiko pelepasan corona √ pada PCB tegangan tinggi.
d.Pengujian dengan standar IPC-TM-650 (misalnya, tegangan pemecahan dielektrik) memastikan keandalan dalam kondisi yang keras.

Mengapa Layer-to-Layer Voltage Tahan Masalah
PCB multi-lapisan memisahkan lapisan daya, tanah, dan sinyal, tetapi lapisan yang berdekatan sering beroperasi pada potensi yang berbeda.

a. Pengontrol industri tiga fase dapat memiliki 480V AC antara lapisan daya.
b.Sistem manajemen baterai EV (BMS) memiliki 600V+ antara lapisan tegangan tinggi dan sinyal.
c. Sebuah defibrillator medis menggunakan 2kV antara penyimpanan energi dan lapisan kontrol.

Jika isolasi gagal, arus busur antara lapisan, jejak peleburan, merusak komponen, atau menciptakan bahaya keselamatan.000 per insiden (termasuk waktu henti dan perbaikan), menurut survei oleh IEEE.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Daya Tahan Tegangan di PCB Multi-Layer
Tiga faktor inti menentukan kemampuan PCB untuk menahan tegangan lapisan ke lapisan:

1. Sifat Bahan Dielektrik
Lapisan isolasi (dielectric) antara lapisan tembaga adalah garis pertahanan pertama.

a.Kekuatan dielektrik: Tegangan maksimum yang dapat ditoleransi oleh material sebelum melakukan busur (diukur dalam kV/mm).
b.Resistivitas volume: Ukuran resistensi isolasi (lebih tinggi = lebih baik, diukur dalam Ω·cm).
Stabilitas suhu: Kinerja isolasi menurun pada suhu tinggi; bahan dengan transisi kaca tinggi (Tg) mempertahankan kekuatan.

2Ketebalan isolasi
Lapisan dielektrik yang lebih tebal meningkatkan kemampuan menahan tegangan, tetapi dengan kompromi:

a. Lapisan FR-4 0,2 mm tahan ~ 3kV; ketebalan dua kali lipat menjadi 0,4 mm meningkat tahan ~ 6kV (hubungan linier untuk sebagian besar bahan).
b.Namun, lapisan yang lebih tebal meningkatkan berat PCB dan mengurangi integritas sinyal dalam desain kecepatan tinggi (misalnya, 5G).

Untuk PCB tegangan tinggi, para insinyur menggunakan margin keamanan: desain untuk 2 × 3x tegangan operasi.

3. Faktor Stres Lingkungan
Kondisi dunia nyata merusak isolasi dari waktu ke waktu:

a.Suhu: Setiap peningkatan 10°C di atas 25°C mengurangi kekuatan dielektrik sebesar 5 ∼8% (misalnya, FR-4 pada 100°C kehilangan 30% dari kekuatan suhu kamar).
b.Kelembaban: Penyerapan kelembaban (umum pada PCB yang tidak dilapisi) menurunkan resistivitas. Lapisan 1mm FR-4 dalam kelembaban 90% dapat melihat tegangan tahan 50% lebih rendah.
c.Kontaminasi: debu, minyak, atau residu fluks menciptakan jalur konduktif. PCB industri sering menggunakan lapisan konformal (misalnya, silikon) untuk menyegel isolasi.

Strategi Desain untuk Meningkatkan Tegangan Tahan
Rekayasa PCB multi-lapisan untuk tegangan tinggi membutuhkan pilihan desain proaktif:

1. Bahan yang Cocok dengan Kebutuhan Tegangan
Tegangan rendah (≤500V): FR-4 standar dengan lapisan dielektrik 0,1 ∼ 0,2 mm bekerja untuk elektronik konsumen (misalnya, TV pintar, router).
Tegangan menengah (500V ∼5kV): FR-4 atau poliamida (PI) Tg tinggi dengan lapisan 0,2 ∼0,5 mm cocok untuk sensor industri dan port pengisian EV.
Tegangan tinggi (5kV+): PTFE atau keramik yang diisi laminasi (0,5 ∼2 mm lapisan) sangat penting untuk power inverter dan defibrillator medis.

2. Mengurangi ¢Diskon Corona ¢Risiko
Medan listrik tegangan tinggi berkonsentrasi pada tepi tajam (misalnya, sudut jejak 90 ° atau tembaga yang terpapar), menciptakan pelepasan korona/spark kecil yang mengikis isolasi dari waktu ke waktu.

Jejak bulat: Gunakan sudut 45° atau melengkung bukan sudut 90° untuk mendistribusikan medan listrik.
Meningkatkan jarak: Menjaga jejak tegangan tinggi 3x lebih jauh dari tegangan rendah (misalnya, 3mm vs 1mm untuk 1kV).
Permukaan tanah: Tambahkan lapisan “shield” yang tertanam di antara lapisan tegangan tinggi dan rendah untuk menahan medan listrik.

3. Kebersihan tepi & layer stacking
Jarak tepi: Pastikan lapisan tembaga berakhir 2 mm sebelum tepi PCB untuk mencegah busur antara lapisan yang terbuka.
Simetris menumpuk: Jumlah lapisan keseimbangan (misalnya, 4 lapisan: sinyal / tanah / daya / sinyal) untuk menghindari penyimpangan, yang dapat retak lapisan dielektrik.
Hindari vias tumpang tindih: Stagger vias antara lapisan untuk mencegah jalur konduktif melalui isolasi.

Pengujian & Validasi: Memastikan Keandalan
Tidak ada desain yang lengkap tanpa pengujian yang ketat:

1. Pengujian Kerusakan Dielektrik
Metode: Menerapkan tegangan AC/DC yang meningkat antara lapisan sampai terjadi busur; mencatat tegangan pemecahan.
Standar: IPC-TM-650 2.5.6.2 menentukan kondisi pengujian (misalnya, 50Hz AC, kecepatan ramp 1kV/detik).
Kriteria kelulusan: Tegangan pemecahan harus melebihi 2x tegangan operasi (misalnya, 2kV untuk sistem 1kV).

2. pengujian pelepasan parsial (PD)
Tujuan: Mendeteksi pelepasan kecil yang tidak merusak (corona) yang menandakan kegagalan di masa depan.
Aplikasi: Kritis untuk PCB tegangan tinggi (5kV+); PD > 10pC menunjukkan kelemahan isolasi.

3. Pengujian Lingkungan
Siklus termal: Uji pada suhu -40°C sampai 125°C selama 1.000+ siklus untuk mensimulasikan penuaan.
Uji kelembaban: 85°C/85% RH selama 1.000 jam untuk memeriksa ketahanan kelembaban.

Aplikasi dan Hasil Dunia Nyata
a.Inverter industri: Penggerak motor 3kV yang menggunakan lapisan PTFE 0,5 mm (rating 15kV) mengurangi kegagalan medan sebesar 70% dibandingkan dengan desain FR-4.
Stasiun Pengisian EV: Sistem 600V dengan FR-4 Tg tinggi (0,3 mm lapisan) dan lapisan konformal mempertahankan keandalan 100% selama 5.000+ siklus pengisian.
c. Pencitraan Medis: Mesin X-ray 2kV yang menggunakan laminat keramik yang diisi (1 mm lapisan) lulus standar keamanan IEC 60601-1, tanpa PD terdeteksi pada 3kV.

Pertanyaan Umum
T: Bisakah PCB multi-lapisan dengan 40+ lapisan menangani tegangan tinggi?
A: Ya, tetapi layer stacking sangat penting. Bergantian lapisan tegangan tinggi dengan bidang tanah untuk mencegah cross-layer arcing, dan menggunakan dielektrik yang lebih tebal (0,3mm +) antara pasangan tegangan tinggi.

T: Bagaimana jumlah lapisan mempengaruhi tegangan tahan?
A: Lebih banyak lapisan meningkatkan risiko kegagalan lintas lapisan, tetapi jarak dan perisai yang tepat mengurangi hal ini. PCB 12 lapisan dengan PTFE 0,2 mm antara lapisan tegangan tinggi dapat dengan aman menangani 5 kV.

T: Apa cara termurah untuk meningkatkan tegangan tahan?
A: Untuk desain tegangan rendah, meningkatkan ketebalan dielektrik (misalnya, 0,2 mm vs 0,1 mm FR-4) menambah biaya minimal sambil menggandakan kapasitas tahan.

Kesimpulan
Multi-layer PCB tahan tegangan adalah keseimbangan ilmu material, disiplin desain, dan kesadaran lingkungan dengan memilih bahan dielektrik yang tepat, menambahkan margin keamanan,dan menguji dengan ketat., insinyur dapat memastikan lapisan-ke-lapisan isolasi bertahan bahkan dalam aplikasi yang paling sulit.Untuk sistem tegangan tinggi, di mana kegagalan bukan pilihan, pendekatan proaktif ini bukan hanya teknik yang baik.Ini sangat penting.