Consejos para el diseño de placas de circuito impreso de alto voltaje: Materiales para placas de circuito impreso de alto voltaje

Blueprint of a knitting logo.

Junto con el diseño de hardware eléctrico y salir a correr para manejar el estrés, soy un tejedor entusiasta. Mi abuela me enseñó a tejer cuando estaba en la escuela primaria, y he enseñado a tejer a aproximadamente una docena de personas en mi vida. Antes de poder llegar a la parte divertida de tejer algo, se debe seleccionar la lana. ¿Es para un recién nacido? Entonces quiero que sea suave, pero también que se pueda lavar a máquina, para que la madre pueda usarla sin preocuparse del lavado a mano. ¿Importa si la lana causa picor? ¿Y si la persona es alérgica a la lana? ¿Debe amoldarse o guardar la forma?

Debo revisar un número sorprendente de parámetros antes de poder comenzar a tejer; si no, tendré que descartar todo y comenzar nuevamente cuando el proyecto no tenga buen resultado. Lo mismo ocurre cuando selecciona los materiales para una placa de circuito impreso. Al inicio de su carrera como diseñador de placas de circuito impreso, probablemente no especificó mucho y, a menos que fuera para un proyecto especializado, es probable que obtuvo un buen resultado. Sin embargo, una vez que alcance un nivel superior, como por ejemplo el de las aplicaciones de alto voltaje u otras aplicaciones especializadas de placas de circuito impreso, debe comenzar a tomar en cuenta otros requerimientos adicionales de diseño.

Seleccione un material de placa de circuito impreso adecuado

La base de su placa de circuito impreso es la placa, por lo tanto, esa es la primera especificación de material que debe tomar en cuenta. El material debe ser adecuado para los requerimientos de rendimiento, pero también para el entorno de operación, ya que eso tendrá un gran impacto sobre cómo envejece el material de la placa en la placa de circuito impreso.

Para un diseño de placa de circuito impreso de alto voltaje, deberá tener un material de placa diseñado especialmente para tolerar un evento de sobrevoltaje, al igual que las condiciones usuales de operación de alto voltaje. He aquí algunas opciones de materiales a considerar:

  • Laminado FR4: FR4 tiene una degradación dieléctrica muy alta. Sin embargo, es más poroso que la resina epoxídica BT (bismaleimida triacina) y la poliimida, lo que hace más fácil la contaminación de la placa. También tiene una estructura de borde débil, y conforme se agrieta el borde, el valor dieléctrico disminuirá. El envejecimiento es una dificultad probable, especialmente para la electrónica cerca del borde. Además, FR4 no tiene recuperación ni protección de la carbonización que ocurre durante los eventos de sobrevoltaje.     

  • Resina epoxídica BT: Una resina termoestable, la resina epoxídica BT (bismaleimida triacina) tiene fuertes paredes laterales y es mejor para las aplicaciones con bobinas planares y circuitos de media tensión.     

  • Isola, laminados de alto voltaje: Existen varios laminados de alto voltaje. Isola es uno de los más conocidos, que actualmente extingue los arcos y deja una capa de base no conductora. Mientras que esa es una increíble ventaja de rendimiento en las aplicaciones de alto voltaje, debe comprender las restricciones de diseño antes de comenzar. Estos laminados normalmente son bastante costosos, y solo pueden producir placas de una sola cara o placas de doble cara muy simples.     

Cuando empiece a hablar de producción, obtenga del fabricante las hojas de datos para todas sus opciones y asegúrese que el rendimiento coincida con sus requisitos. Además, no mezcle y combine los aislantes en su tabla. La falta de coincidencia en las propiedades de los materiales puede eventualmente causar dificultades de fabricación y rendimiento.

Bottom side of an empty PCB.

No utilice múltiples materiales aislantes dentro de las capas de su placa de circuito impreso.

Revise el contenido de vidrio y resina

Si el contenido de resina y el estilo de vidrio utilizados en la placa de circuito impreso no se encuentran en las hojas de datos o las guías de fabricación que recibe, pregunte especialmente por ellos. En una placa de circuito impreso de alto voltaje, es importante tener un alto contenido de resina para minimizar los vacíos entre las capas de láminas y para cambiar el dieléctrico efectivo de su placa. También debe usar un estilo de vidrio pequeño para ayudar a penetrar la resina.

Los gradientes de tensión son clasificados para los sistemas de resina en unidades de voltaje de corriente continua/mil ([VDC/mil], por sus siglas en inglés). Debe asegurarse que su gradiente de voltaje es inferior al valor de reducción de antigüedad del sistema de resina que se encuentra entre sus hojas aislantes en la placa. Para un gradiente de tensión de corriente alterna, utilice menos de la mitad del valor gradiente de corriente continua.

Seleccione los conductores adecuados

Una vez que haya resuelto las capas de laminado y la resina de la disposición de su placa de circuito impreso, puede continuar a los conductores. El espaciado entre sus huellas y discos es dictado por la seguridad y los estándares. Por ejemplo, MIL-STD-275 recomienda un espaciado de 8 V/mil, sin embargo, muchos de estos estándares son más antiguos y no han sido actualizados para contemplar nuevos materiales, como por ejemplo HVPF (película de poliimida de alto voltaje) o Kapton, que puede tolerar 1000 V/mil.

También querrá que la calidad de su cobre cumpla con sus requisitos. Seleccione un peso de cobre para sus vías que sea adecuado para las tensiones eléctricas y mecánicas. Las vías de cobre de 1-3 onzas son propensas a fallar con cualquier sobrecorriente, y las vías de 1-2 onzas son susceptibles a la tensión mecánica. Hasta ligeros aumentos en el peso mejoran la capacidad de supervivencia de su placa.

 
Vector image of PCB layout.

Antes de enviar su diseño a fabricación, asegúrese de especificar el peso del cobre a utilizar. Un bajo peso no soportará las aplicaciones de alto voltaje.

Pregunte sobre las superficies acabadas

Por último, debe preguntarle a su fabricante sobre el acabado de su placa. Las pobres condiciones de la superficie de la placa, como por ejemplo las protuberancias, las partículas, las inconsistencias, o la contaminación, hacen más posibles los arcos y anulará toda selección de material costoso que usted haya realizado. Sobre el conductor, puntos ásperos o rasguños crearán áreas que concentran la fuerza del campo eléctrico y tendrá arcos en voltajes más bajos. Asegúrese de que la manipulación de sus placas durante la producción las protege de cualquier daño que pueda disminuir su rendimiento de alto voltaje.

 
Sanded copper surface.

Rasguños en las capas de cobre aumentan el riesgo de arcos.

Si bien la selección de dieléctricos y conductores es un proceso más costoso que la elección de lana, no tiene que ser más difícil. Al utilizar herramientas de diseño que administran sus requisitos de rendimiento y tolerancias en un solo lugar, es fácil identificar lo que usted necesita y ahorrar dinero en lo que no. El software electrónico CAD (asistido por ordenador) como Altium Designer y Altium Vault hacen simple el manejo de su diseño y la integración de su cadena de suministro, para que pueda terminar su placa de circuito impreso y volver a su tejido, salir a correr o cualquier otro proyecto en el que prefiera trabajar.     

 

¿Tiene alguna duda sobre los materiales para los diseños de alto voltaje? Comuníquese con un experto en Altium.

 

         

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PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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