【導讀】許多新入行的電力電子設計人員（包括高電壓電力系統設計人員）會(huì )向制造商請求默認疊層并立即開(kāi)始創(chuàng )建PCB布局。對于許多通用產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這是完全可以接受（并且經(jīng)常被推薦）的做法，例如較小的微控制器電路板。
上圖中所有元件下方的某處是由剛性疊層材料制成的PCB，這些材料必須滿(mǎn)足特定的操作標準才能滿(mǎn)足基本性能需求。許多新入行的電力電子設計人員（包括高電壓電力系統設計人員）會(huì )向制造商請求默認疊層并立即開(kāi)始創(chuàng )建PCB布局。對于許多通用產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這是完全可以接受（并且經(jīng)常被推薦）的做法，例如較小的微控制器電路板。
那如果對高電壓PCB材料采用同樣的方法會(huì )有什么問(wèn)題呢？
高電壓PCB存在某些安全性和可靠性問(wèn)題，這是大多數其他電路板所沒(méi)有的。如果您的制造廠(chǎng)專(zhuān)門(mén)從事高電壓PCB并手握庫存材料，他們可能會(huì )推薦一套材料，以及您可能用于某些電壓范圍和頻率的標準疊層。如果您需要選擇自己的材料，請按照以下提示來(lái)幫助您縮小范圍以確定合適的材料集。
選擇正確的高電壓PCB材料
我們所提到的“高電壓”通常指的是達到kV范圍，無(wú)論是直流還是交流。層壓板數據表中的一些材料屬性可以幫助您確定哪種層壓板最適合您的電路板，并確保在高電壓下的可靠性。高電壓PCB中使用的一些基板材料示例包括：
. BT環(huán)氧樹(shù)脂
. 酚醛固化剛性層壓板
. 高電壓聚四氟乙烯（HVPF）
如果您想使用不同的材料集，請注意以下規格：
相對漏電起痕指數（CTI）
用于量化設計承受電介質(zhì)擊穿能力的重要總結性指標之一是其相對漏電起痕指數（CTI）。CTI定義了絕緣材料（如PCB基板）在表面附近開(kāi)始擊穿的電壓。在擊穿過(guò)程中，材料開(kāi)始碳化并變得更具導電性，這會(huì )增加泄漏電流并隨著(zhù)時(shí)間的推移加速擊穿。
IEC-60950-1和IPC-2221等行業(yè)標準提到了一些基于CTI值的高電壓PCB推薦材料。這些值也可以使用一些標準測試來(lái)確定，最值得注意的是使用UL 746A、IEC 60112或ASTM D3638。CTI值分為六個(gè)性能等級類(lèi)別（PLC）：
實(shí)際上，CTI為您提供了一種方法，可以在導體間距變得非常小時(shí)估算兩個(gè)導體之間的漏電流。應該注意的是，CTI捕獲的退化與導致電離和隨后電流浪涌的電介質(zhì)擊穿不同。這些額定值遠高于CTI額定值，通常在kV左右。暴露在這些電壓下的設計至少需要一個(gè)PLC 0材料，以確保長(cháng)期可靠性。
樹(shù)脂含量、玻璃編織和固化劑
設計中使用的材料體系，將影響設計的可靠性，特別是樹(shù)脂含量和固化劑。FR4層壓板可用于被認為是高電壓PCB設計的低端產(chǎn)品，因為盡管它們具有高擊穿電壓值，但也具有低CTI值（~200-300 V DC）。隨著(zhù)時(shí)間的推移，高電壓PCB材料的彈性與樹(shù)脂含量和固化劑有關(guān)。這在高電壓PCB中很重要，有兩個(gè)原因：
. 導電陽(yáng)極絲化（CAF）故障，其中高電壓促使金屬遷移以及處于高電位的導體之間枝晶結構的電化學(xué)生長(cháng)。
. 樹(shù)脂含量較低時(shí)出現空隙，這將增加PCB疊層中各層之間降解機制的機會(huì )。在高電壓設計中通常首選較高的樹(shù)脂含量，這意味著(zhù)纖維編織會(huì )更松散。
在基于雙氰胺（DICY）的FR4層壓板中，玻璃轉換溫度（Tg）值可能相當高，達到180°C左右。然而，這些樹(shù)脂系統在高電壓梯度下可能會(huì )更早失效，如Isola的數據所示（見(jiàn)下文）。雖然兩者可能具有相似的CTI，但使用酚醛固化劑的故障率更長(cháng)，因為固化層壓板中的CAF生長(cháng)受到抑制。
采用HASL表面處理的DICY固化材料和酚醛固化材料，在100 V下的PCB可靠性比較。
高電壓板可靠性的另一個(gè)方面是玻璃編織。諸如1080、2113或2116等更精細的玻璃編織物是理想選擇，而像106編織物這樣松散可能會(huì )縮短長(cháng)期使用壽命。這些編織仍然允許樹(shù)脂流動(dòng)和滲透，同時(shí)平衡在較低電壓下抑制CAF的需要。
表面處理和銅重量
您還希望銅質(zhì)量能夠滿(mǎn)足高電壓操作要求。這涉及到選擇銅重量和表面處理。無(wú)論您使用的是裸銅（不推薦）還是類(lèi)似ENIG的標準表面處理，成品表面都應該盡可能光滑。具有更光滑表面處理的設計是首選，因為粗糙的接口會(huì )產(chǎn)生靜電荷易積聚的區域。在低電壓下，這并不是真正的問(wèn)題，因為導體各部分之間的場(chǎng)強太低而不會(huì )在空氣中引起電弧或電介質(zhì)擊穿。在處理成品板以及所需銅重量的最佳電鍍材料/厚度方面，您的制造商應該能夠就這一點(diǎn)提供指導。
銅層中的劃痕會(huì )增加電弧的風(fēng)險
當查看高電流材料時(shí)，銅重量會(huì )變得更加重要，這往往與高電壓一起出現，盡管情況并非總是如此。當電流較高時(shí)，銅重量應該更高，并且在某些時(shí)候，當大型布局中的電流超過(guò)~100 A時(shí)，您將需要切換到母線(xiàn)。IPC-2152列線(xiàn)圖是開(kāi)始為您的PCB調整導體尺寸的好選擇，但請注意，該標準中推薦的值可能過(guò)于保守，并不普遍適用于所有PCB。
開(kāi)始您的高電壓PCB布局
歸根結底，您選擇的層壓板能夠支撐您的電路板并且能夠承受長(cháng)期的高電壓操作。整理好PCB的層壓層、銅重量和電鍍層后，您就可以繼續規劃疊層和PCB布局了。應與您的制造商協(xié)商創(chuàng )建疊層，如果您的特定層壓板不可用，他們通常會(huì )建議替代層壓板。
接下來(lái)，您需要確保布局符合基本的安全和可靠性規則，這些規則涉及安全標準規定的導體間距。IPC-2221將是大多數PCB在剛性電路板上布局的起點(diǎn)?；蛘?，對于更可靠的要求，如軍用航空電子設備，MIL-STD-275建議將間距設置為8V/mil，不過(guò)其中一些標準較舊，尚未更新以考慮對1000V/miL的HVPF或Kapton等新材料的處理。請注意這些PCB標準和其他行業(yè)特定標準（例如IEC）以獲得更多指導。
(本文轉載自：Altium，博客作者：Zachariah Peterson）
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