Progettazione della distanza di dispersione ad alta tensione e del tracciamento per PCB a polimerizzazione UV.

Progettazione della distanza di dispersione ad alta tensione e del tracciamento per PCB a polimerizzazione UV.

Astratto

Gli stadi di innesco, ballast e filtro di un alimentatore per polimerizzazione UV funzionano a 5–20 kV su FR-4 e la superficie del circuito stampato tra questi nodi cambia composizione chimica sotto l'azione di una luce di 200–450 nm. L'intercapedine fisica è fissa, mentre quella elettrica non lo è. Questo articolo descrive la resistenza superficiale, il riscaldamento Joule e i calcoli relativi al tempo di tracciamento, quattro modalità di guasto sul campo, le regole di declassamento e di slot e il monitor della corrente di dispersione che avvisa prima del primo flashover.

1. introduzione

Le sezioni ad alta tensione di un alimentatore per polimerizzazione UV funzionano a 5-20 kV e il loro isolamento dipende dalla distanza di dispersione superficiale: il percorso più breve lungo la superficie del circuito stampato tra due conduttori a potenziale diverso. Le norme IEC 60664 e IPC-2221 specificano la distanza di dispersione superficiale minima per un determinato grado di inquinamento e gruppo di materiali.

Queste tabelle si basano su aria industriale ordinaria. All'interno di una macchina per la polimerizzazione, lo stesso pannello è esposto a fotoni di lunghezza d'onda compresa tra 200 e 450 nm, ozono, calore e solventi per la pulizia. La resina epossidica FR-4 si ossida, la superficie diventa polare e idrofila e le sostanze organiche presenti nell'aria si fotopolimerizzano formando una pellicola che l'umidità rende conduttiva.

La distanza fisica non cambia mai. Cambia invece la distanza che effettivamente impedisce l'ingresso di tensione. Questa differenza spiega il guasto più difficile da riprodurre: una scheda che ha superato i test di rigidità dielettrica e scarica parziale in fabbrica si guasta dopo un anno, con geometria invariata e nessun componente difettoso.

Questo articolo illustra i calcoli relativi alla conduzione superficiale e al tracciamento, le quattro modalità di guasto sul campo, le regole di declassamento e di slot, e il monitor di dispersione che trasforma una superficie instabile in una tendenza misurabile.

2. Meccanismo fondamentale

2.1 Resistenza alle perdite superficiali

Una pellicola contaminata interposta tra due conduttori si comporta come una resistenza il cui valore dipende dalla geometria della pellicola e dalla resistività superficiale del laminato.

R_s = ρ_s · d / w

dove R_s è la resistenza di dispersione superficiale, ρ_s è la resistività superficiale del laminato invecchiato, d la lunghezza di dispersione superficiale tra i conduttori e w la larghezza del film conduttivo. L'esposizione ai raggi UV e la contaminazione riducono ρ_s di uno o tre ordini di grandezza in uno o tre anni, quindi un film che misurava 50 MΩ quando la macchina era nuova raggiunge 5 MΩ o meno entro la fine della garanzia.

2.2 Riscaldamento Joule e condizione di tracciamento

La corrente di dispersione attraverso una costrizione localizzata di quella pellicola dissipa energia in pochi millimetri quadrati di laminato.

P = I² · R_s

dove P è la potenza dissipata, I è la corrente di dispersione e R_s è la resistenza di dispersione superficiale. A 10 kV attraverso il film da 50 MΩ del §2.1 la corrente di dispersione è di 200 µA e il film consuma 2 W. Impacchettato in pochi millimetri quadrati, ciò innalza la superficie al di sopra della temperatura di carbonizzazione di 300 °C dell'epossidica, e la carbonizzazione è carbonio conduttivo.

2.3 Tempo di tracciamento rispetto alla distanza di strisciamento

Il tempo necessario affinché una superficie pulita formi un ponte di carbonio è proporzionale al quadrato della distanza di dispersione e inversamente proporzionale al quadrato della tensione applicata.

t_track = K · d² / (V² · σ_s)

dove t_track è il tempo necessario per la formazione di una traccia di carbonio, K è una costante empirica per il laminato e la finitura, d è la distanza di dispersione superficiale, V è la tensione applicata e σ_s è la conduttività superficiale a fine vita. Raddoppiando la dispersione superficiale, il tempo quadruplica. Un nodo da 10 kV con 25 mm di dispersione superficiale ha subito una traccia in 18 mesi sul campo; la stessa superficie raggiunge 6 anni a 50 mm e 10 anni a 65 mm.

2.4 Scarica a tripla giunzione e risposta del monitor

Un secondo percorso si apre nel punto di incontro tra il corpo del condensatore, il cordone di saldatura e la superficie del circuito stampato. Al di sopra del livello di innesco della scarica parziale, le scariche erodono il laminato e lo smalto esterno, e la cavità concentra il campo fino a raggiungere un elettrodo. Il monitor di dispersione che controlla questo fenomeno necessita di una propria costante di tempo.

τ = R · C

dove τ è la costante di tempo del monitor, R è la resistenza di monitoraggio in serie e C è la capacità del nodo. Con un monitor da 10 MΩ e un nodo da 4700 pF la costante è di 47 ms, quindi il valore registrato è stabile entro un quarto di secondo.

Figura 1 — A 10 kV, un nodo FR-4 nudo si deteriora in 18 mesi a 25 mm e necessita di 65 mm per dieci anni, mentre una scheda scanalata rivestita attraversa i dieci anni a circa 37 mm.

3. Punti critici di ingegneria

Punto critico 1: Il margine si erode mentre la geometria rimane invariata

La scheda supera i test di rigidità dielettrica e di scarica parziale in fabbrica, la geometria della dispersione superficiale non cambia mai e, dopo un anno di servizio, la corrente di dispersione è triplicata e la macchina si arresta senza un guasto riproducibile. Nessun componente si è guastato, ma la superficie sì. Questo guasto non è riproducibile perché dipende dalla dose di raggi UV accumulata.

Punto critico 2: la polvere si fotopolimerizza formando una pellicola conduttiva

Le sostanze organiche presenti nell'aria si depositano sui circuiti stampati negli impianti di stampa e rivestimento, e la luce UV le polimerizza formando una pellicola che l'umidità rende conduttiva. Un circuito stampato apparentemente pulito presenta una resistenza di 50 MΩ tra i nodi di innesco, e la pellicola è invisibile al di sotto di un forte ingrandimento.

Punto critico 3: I terminali del condensatore diventano il punto debole

Il corpo di un condensatore è progettato per un utilizzo in ambienti interni puliti. Montato su una scheda soggetta a degrado, lo spazio tra i terminali diventa il percorso più breve nel layout e il ritorno di campo identifica il condensatore mentre la scheda ha causato la sollecitazione.

Punto critico 4: la pulizia con solventi accelera il danno

Le squadre di manutenzione puliscono le schede con alcol isopropilico e solventi proprietari. Il solvente estrae i plastificanti e lascia un residuo, che si fotoreticola sotto la lampada. La fase di pulizia accelera il processo di degradazione che avrebbe dovuto eliminare.

4. Fasi di progettazione

Strategia 1: Ridurre la tabella di dispersione per il servizio UV

Si assuma un grado di inquinamento pari a 3 e si aggiunga un fattore UV. Moltiplicare la distanza di dispersione superficiale minima secondo la norma IEC 60664 per la classe di tensione per 1.5-2 volte sui circuiti stampati esposti alla radiazione della lampada. Per 10 kV, ciò fornisce un percorso superficiale di 50-60 mm anziché il valore di 25-30 mm indicato in tabella.

Strategia 2: Tagliare le fessure di instradamento tra i nodi ad alta tensione

Una fessura profonda 5 mm tra i nodi di trigger raddoppia il percorso superficiale praticamente senza costi aggiuntivi. Specificare scanalature fresate nel contorno del circuito stampato anziché affidarsi alla separazione tra maschera di saldatura e circuito stampato, poiché la maschera raccoglie la pellicola che trasporta la corrente di dispersione.

Strategia 3: Scegliere pacchetti con avvolgimento del corpo

Selezionare un N4700 disco o un HVCT8G Parte terminale a vite la cui altezza del corpo e la cui smaltatura estendono il percorso dalla parte superiore del condensatore alla superficie del circuito stampato. Specificare una distanza di isolamento superficiale di almeno 20 mm sul corpo del condensatore per la classe 10 kV.

Strategia 4: Rivestire in modo conforme la zona ad alta tensione

Applicare un rivestimento conforme in silicone ad alta purezza e stabile ai raggi UV sulla zona dopo l'assemblaggio. Il rivestimento aumenta la resistività superficiale di 100 volte e blocca l'ingresso della polvere. Il silicone è la chimica giusta in questo caso perché non ingiallisce né si screpola sotto la lampada, mentre un condensatore a film In altre zone del palco non viene offerta alcuna protezione alla superficie del tabellone.

Strategia 5: Strumentare la corrente di dispersione

Aggiungere un resistore da 10–100 MΩ resistore di campionamento nell'alimentazione di attivazione e registrare l'andamento della perdita. Un raddoppio in sei mesi è il primo segnale di degrado della superficie e dà il tempo di riverniciare o sostituire la scheda prima del primo flashover.

Strategia 6: Qualificare la superficie mediante invecchiamento UV

Invecchiare i campioni di prova a 10 volte il flusso operativo per 500 ore con polarizzazione applicata e misurare la resistività superficiale ogni settimana. Accettare un laminato solo quando la sua superficie misura ancora più di 100 GΩ dopo l'invecchiamento. resistore a film spesso nella catena divisoria vede la stessa superficie, quindi qualificala nello stesso coupon.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Tensione nominale (serie HVCT8G)	10 kV DC	Hi-pot 1.5× per 60 s
Capacità	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	inferiore a 50 mΩ	25 ° C
Induttanza di anello (accordo E40)	inferiore a 8 nH	Distanza tra i terminali: 40 mm
resistenza di isolamento	superiore a 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Range di temperatura	da -40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2
Capacità di misurazione di impulsi dv/dt	oltre 50 kV/µs	a tensione nominale

5. Condensatori HVC per schede esposte ai raggi UV

Tre proprietà determinano se un condensatore contribuisce positivamente o negativamente al margine di dispersione superficiale: geometria del corpo, chimica della superficie e perdite. HVC produce componenti N4700 per tutte e tre queste caratteristiche.

Sei parametri importanti in questo caso

• I corpi a disco e a vite 441 presentano lunghi percorsi superficiali da terminale a terminale, quindi il corpo contribuisce alla dispersione superficiale del circuito stampato anziché ridurla.
• Il titanato di stronzio N4700 (T3M), con la sua superficie smaltata densa, assorbe una quantità trascurabile di umidità, mantenendo così elevata la resistività superficiale del corpo anche in ambienti umidi.
• Un valore di tanδ pari o inferiore allo 0.1% a 1 kHz mantiene il corpo freddo, impedendo così che il laminato locale raggiunga la temperatura di carbonizzazione di 300 °C.
• Una differenza di potenziale (PD) inferiore a 5 pC a 1.2 volte la tensione nominale elimina l'erosione della tripla giunzione che normalmente apre la prima cavità nell'impronta del condensatore.
• ±30 ppm/°C e un intervallo completo da 1 kV a 100 kV mantengono la stessa disposizione di distanza di isolamento e isolamento tra gli stadi di innesco, zavorra e filtro.
• Validazione sul campo: un condensatore a vite HVC 40 kV / 441 ha sostituito un componente di marca di prima fascia nei programmi di assistenza sul campo ad alta tensione e la stessa costruzione corrisponde ai parametri elettrici di Vishay Intervalli di derivazione radiale HVCC e KEMET.

Consegna e supporto

I componenti standard vengono spediti in 4-8 settimane, mentre i set abbinati in 6-10 settimane. Il team di ingegneria applicativa di HVC esamina la configurazione della scheda, i nodi di tensione e la procedura di manutenzione per il sito.

Invia le tensioni dei nodi, il flusso UV sulla scheda, lo schema delle dispersioni superficiali e il metodo di pulizia. HVC restituisce uno schema delle dispersioni superficiali, un pacchetto di condensatori con dispersione superficiale corrispondente e campioni certificati PD per la qualificazione dell'invecchiamento UV entro due settimane.

6. Domande frequenti

D1: Perché un consiglio di amministrazione supera l'esame HIPOT ma fallisce dopo un anno?

Questo perché il test di rigidità dielettrica (hipot) misura la resistività della scheda con cui è stata realizzata. La resistività superficiale diminuisce da uno a tre ordini di grandezza in un periodo di esposizione ai raggi UV che va da uno a tre anni, quindi la corrente di dispersione a 10 kV aumenta da pochi microampere a centinaia. Il test hipot eseguito in fabbrica non è in grado di rilevare questa tendenza.

D2: Di quanto spazio di sicurezza aggiuntivo ha bisogno il servizio UV?

Moltiplicare il valore della tabella IEC 60664 per 1.5-2 volte per il grado di inquinamento 3 con un fattore UV. A 10 kV, ciò trasforma il valore della tabella di 25-30 mm in un percorso superficiale di 50-60 mm e il tempo di tracciamento aumenta con il quadrato di tale distanza.

D3: Cosa si ottiene con uno slot da 5 mm?

Raddoppia il percorso superficiale attraverso l'intercapedine, quindi il tempo di tracciamento quadruplica. La fessura interrompe anche la pellicola che trasporta la corrente di dispersione, motivo per cui una scanalatura fresata funziona meglio di un maggiore spazio libero per la maschera di saldatura.

D4: Quale avviso viene prima, la perdita o il PD?

Perdita. Una resistenza di campionamento da 10–100 MΩ nell'alimentazione del trigger registra l'andamento mesi prima della prima scarica, e un raddoppio in sei mesi è sufficiente per rivestire nuovamente la zona.

Q5: Qual è la distanza di isolamento superficiale (creep) che dovrebbe avere il condensatore?

Specificare una distanza di isolamento superficiale di almeno 20 mm sul corpo del condensatore per la classe 10 kV. Al di sotto di tale valore, la distanza tra i terminali diventa il percorso più breve nel circuito stampato una volta che la superficie del circuito stampato invecchia.

D6: Il rivestimento conforme sostituisce il margine di scorrimento?

No. Il rivestimento aumenta la resistività superficiale di circa 100 volte e blocca la polvere, ma è comunque necessaria una distanza ridotta al di sotto di esso. Prima si progetta la distanza, poi si riveste la superficie.

7. Riferimenti

1. E. Kuffel, WS Zaengl, J. Kuffel, Fondamenti di ingegneria dell'alta tensione, 2ª ed., Newnes, 2000.
2. N. Mohan, TM Undeland, WP Robbins, Elettronica di potenza: convertitori, applicazioni e progettazione, 3a ed., Wiley, 2003.
3. Avviso MIL-HDBK-217F 2, Previsione dell'affidabilità delle apparecchiature elettroniche 1995.
4. IEC 60384-1:2018, Condensatori fissi per impiego in apparecchiature elettroniche — Parte 1: Specifiche generiche.
5. IEC 60664-1:2020, Coordinamento dell'isolamento delle apparecchiature all'interno dei sistemi di alimentazione a bassa tensione - Parte 1: Principi, requisiti e prove, 3ª ed. Ginevra: IEC, 2020.
6. Y. Gao, X. Liang, W. Bao, C. Wu e S. Li, Analisi dei cedimenti di un isolatore composito a frattura fragile in campo: caratterizzazione mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi X., Alta Tensione, vol. 4, n. 2, pp. 89-96, 2019. https://doi.org/10.1049/hve.2018.5084.
7. V. Belyaev, Modello di scarica superficiale di un isolante nel vuoto, in Atti ISDEIV. 18° Simposio Internazionale sulle Scariche e l'Isolamento Elettrico nel Vuoto, pp. 151-154, 1998. https://doi.org/10.1109/deiv.1998.740596.
8. Stati Uniti 8,570,711, Componente elettronico ceramico multistrato (soppressione della scarica ad arco per MLCC da 1–5 kV), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., concesso nel 2013, https://www.freepatentsonline.com/8570711.html .
9. MIL-PRF-49470D, Condensatore fisso, dielettrico ceramico, alimentatore switching (uso generale e temperatura stabile), affidabilità standard e alta affidabilità, specifiche generali perWashington, DC: Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, 2017.
10. Team di ingegneria applicativa HVC, Condensatore ceramico ad alta tensione Risorse tecniche, https://www.hv-caps.com