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高压 PCB 设计:终极指南



设计高压印刷电路板需要精确和仔细选择 PCB 材料。了解 - 为什么需要高压 PCB、标准规格、质量测试程序、组件选择、分类标准等。今天的指南涵盖了高压印刷电路板的所有内容,从基本定义到高级设计程序。


  • 高压印刷电路板定义

  • 为什么要为高压系统设计 PCB

  • 高压PCB设计法规和标准

  • 如何为高压 PCB 设计选择材料

  • 高压 PCB 的元件采购

  • 高压 PCB 设计注意事项

  • 高压印刷电路板的类型

  • 高压 PCB 设计的布局指南

  • 高压PCB中的爬电距离和电气间隙

  • 制造高压印刷电路板

  • 高压PCB组装工艺

  • 高压PCB的应用

  • 结论


高压印刷电路板定义


高压印刷电路板是可以承受高压和热波动的特殊类型的 PCB。它们主要由重铜材料制成。低气压等条件会迫使电压迅速产生电弧。这需要能够承受这些波动的材料。因此,高压 PCB 提供了解决方案。


为什么要为高压系统设计 PCB


大多数行业都需要能够承受高压的 PCB。航空航天工业、军事和发电公司等行业需要这些电路板。在某些情况下,使用其他电路板可能会导致电弧增加,这会带来不便且成本高昂。


高压PCB设计的优势


与其他 PCB 设计相比,由于使用了较重的铜,高压 PCB 设计具有许多优点。增强对热应变的耐受性——使用厚铜,您可以放心,电路板将能够承受热波动。它还具有增加的载流能力。您可能在任何其他板上都找不到这种品质。高压 PCB 还具有增强的机械强度。这在连接器部位和 PTH 孔中很明显。通过在电路板的电路层上包含更高的铜重量,产品的尺寸大大减小。厚重的镀铜通孔增强了到外部散热器的热传递。


高压PCB设计的缺点


时间成本大:


高压 PCB 的制造和组装非常耗时。这是由于需要进行额外的修改,包括使用与其他 PCB 不同的较重的铜。


成本高:额外的材料通常意味着增加预算。高压板需要更重的铜,这需要付出一定的代价。


高压PCB设计法规和标准


根据您打算在哪里使用高压印刷电路板,它们应符合以下质量标准:


cGMP


当前的良好生产规范法规是由食品和药物管理局 (FDA) 制定的。在为医疗设备设计高压 PCB 时,cGMP 标准至关重要。


IEEE


这是电气和电子工程师协会。它是规范电子技术发展的专业机构。它制作定期期刊,为一些最新和最先进的电子技术提供指导。确保您订阅该机构,以随时了解最新技术和新兴法规。


RoHS


有害物质通常用这个标准化标志来限制。这在欧洲市场也很常见。您的电子和电气产品应不含有害物质。这个标准化标记将持续大约五年。受限产品包括铅、汞、铬和镉。这些法规还限制 PBB 和 PBDE。当您为高压 PCB 购买组件时,请确保满足这些设定标准。它是一种普遍接受的标准化标志。


· CCC


中国认证标志是另一个需要注意的重要标志。期待在中国生产、进口和使用的产品上获得这种质量标志。您会发现大多数高压元件制造商都位于中国。该标志将极大地帮助您确保质量标准。


·国际标准化组织


ISO 9000可能是最普遍接受的标准化标志。这是组织满足消费者所需标准的保证。确保您为高压 PCB 购买的组件带有此标记。这是对质量的确认。此外,ISO 14000确保 PCB 和制造商符合安全环境标准。


ASTM


这也是另一个确保遵守国际标准的组织。它还提供有关生产策略的出版物。这些标准通常是相互商定的。您在高压 PCB 设计中使用的材料应符合这些标准。


如何为高压 PCB 设计选择材料


创建高压 PCB 需要遵守许多严格的条件。确保不产生电弧对于产品安全可靠至关重要。这意味着即使老化,设计也能保持完美状态。让我们来看看一些最推荐的材料:


FR4层压板


这种层压板具有高介电击穿。然而,与环氧树脂和聚酰亚胺相比,它具有更高的孔隙率。这使得它容易受到污染。这是一个较弱的边缘结构。每当边缘出现裂缝时,介电值就会降低。相邻的电子设备也可能被碳化。这是过压事件的结果。


BT环氧树脂


这种材料具有坚固的侧壁。它最适用于具有平面线圈的应用。它也是中压电路的最佳选择。


Isola、高V层压板


这是优选的,因为它可以熄灭电弧。然而,它们很昂贵。通常,它们仅适用于处理单面和非常基本的双面板。需要注意的是,在使用这些合适的材料时,您应该考虑环境因素。当您使用绝缘标准非常高的材料时,请确保该材料能够承受真空或高功率应用。


高压 PCB 的元件采购


在采购高压PCB 组件时,首先必须制定材料清单 (BOM)。这概述了您在组装电路板时需要的所有组件。详细信息应包括所需零件的数量、尺寸以及从何处获得它们。通过清晰的 BOM,您将对整个过程有一个清晰的了解。在大多数情况下,您必须从其他制造商那里外包一些组件。要获得有关您需要的正确指导,BOM 将是必需的。正如我们所了解的,这将帮助制造商确定您对高压 PCB 的需求。您应该从可靠、经验丰富且经过认证的公司采购组件。请记住,您将使用物料清单来生成报价单。通常,组件很脆弱,因此需要特殊的包装和运输。确保制造商具备这些能力。有了这些考虑,您就可以放心,外包组件可以满足您的需求。


当然,您将采购的 PCB 组件类型取决于印刷电路板的具体应用。不要努力获得便宜的组件。对于高压 PCB 组件,质量至关重要。


高压 PCB 设计注意事项


在设计高压 PCB 时,您应该考虑许多因素。让我们深入研究其中的一些设计注意事项。


1.高压 PCB 设计指南


考虑您的工作频率


这将影响您的高压设计,因为较低电压下的电弧很可能在高频下产生。这需要信号线之间有良好的间距,并在频谱末端进行特殊考虑。DC 差分可能会导致蚀刻。它还可以导致电化学迁移。此外,由于电化学的迁移,这些层很可能产生电弧。这将减少电路板的爬电距离和电气间隙。有助于电化学迁移的一些最常见的金属是锡、银,有时还有铜。在完成高压 PCB 设计时,您可以通过避免使用纯锡或银来最大限度地减少这种情况。如果必须使用锡,请在其上系上低铅含量以控制导电细丝的出现。


降额您的组件


当您的设计要在高压力环境中工作时,降额非常重要。降低元件的电流、电压甚至温度的最高值。这将使产品的使用寿命更长,这是使用您的百分比评级计算的。因此,您应该将您的材料降级为他们在实际使用时将体验到的参数值。这将降低生产成本。与电路板相关的风险是由于过电压导致电路板上产生电弧。确保降额到最大,而不是平均电压。这将看到您的高压 PCB 在过压的情况下仍然存在。


选择您的组件


降额后,检查您选择的所有组件。高电压可能会导致整个电路板的电气连接出现高度可变性。它还会在电路板的组件之间引起场应力。电压波动也可能产生电弧点并损坏组件。


2.多层高压PCB设计指南


让我们看一下四层多层高压印刷电路板的一些指南。这是一个相当复杂的过程,因为应该遵循的设定标准的数量。根据电导体间距,导体间电压差为80V的板应具有以下导体间质量:内层之间应该有 0.1 毫米,未涂层的外层之间应有 0.6mm,另一方面,涂层的外层之间应有 0.13 毫米。这些数字只是层之间应具有的最小间隙。需要注意的是,大功率过孔在低压侧保持间隙。




3.高压PCB设计中的重铜电路


重铜电路通常由重量在 4 oz/ft2 和 20 oz/ft2 之间的铜制成。也有使用重量在 20 oz/ft2 到 200 oz/ft2 之间的铜的情况。这被称为极端铜。让我们专注于极端铜。


4.重型电路铜的施工


重铜PCB的制造与其他PCB的唯一区别在于蚀刻。电镀技术似乎也有很大不同。编织是高速的,而蚀刻是微分的。在这种电镀中,作为制造商的您将有机会增加铜的厚度。该厚度将在电镀孔和通孔侧壁中实现。PowerLink 是一种将厚铜与其他普通单板特性相结合的方法。这具有一些优点,包括减少层数。它还导致电力生产中的低阻抗并降低生产成本。


5.载流量和温升


通常,铜电路中的电流容差水平取决于它可以承受的温升。这是因为热升和电流之间存在正相关关系。沿迹线的电流会导致局部加热。传导负责迹线的冷却和随后排出到外部环境。迹线可以承受的最大电流是通过估计与施加电流相关的温升来确定的。确保加热速率和冷却速率之间保持平衡。


6.电路板强度和生存能力


有大量的介电材料可供您选择。但是,如果您要将电路板暴露在极端环境中,则应使用特殊材料。使用厚铜电路有助于避免热故障。当您将孔镀到 2 oz/ft2 时,失败的机会被限制在零。


7.热管理


电路板运行过程中释放的热量必须散发出去。这种耗散应该是从源头到环境。如果组件过热,可能的结果是整个系统出现故障。使用厚铜电路时,热量损失会减少。厚重的铜电路通过将热量从关键部件传导走来实现这一点。散热器确保热量从产生点散发到外部环境。


高压印刷电路板的类型


当您在寻找高压印刷电路板时,您可以考虑以下任何一种:


i.单面高压PCB


这些是高压印刷电路板的最基本形式。它们是低密度设计的首选板。该板通常没有电镀通孔。抗蚀剂印刷在裸铜板上。然后,您继续蚀刻和打印阻焊层。通过使用光刻胶,您将能够对电路进行图案化。用于制造这些板的原材料包括 FR4、铝和铜基。


单面PCB


ii.双面高压PCB


与单面高压 PCB 不同,该板有两个导电层。这意味着电路板的两侧都有迹线和路径。这种能力的进步为其在高级电子应用中的使用提供了信息。


双面PCB


双面PCB


将元件安装到此板上有两种方法:通孔技术和表面贴装技术。这些层也层压在板的两侧。玻璃环氧树脂通常用作绝缘材料,用于绝缘设计的底座。使用铜箔层压基板的两面,并使用阻焊层保护电路板进行保护。


iii.多层高压PCB


多层PCB


多层高压PCB通常在材料中心埋有三个以上的导电层。这使其不同于单面和双面高压 PCB。为了实现这种多层设计,预浸料和芯材的交替层。将这些材料层压在一起需要高温和高压。这将有助于去除层间滞留的空气。导体进一步用树脂封装。然后,您继续熔化并固化将各层粘合在一起的粘合剂。在制造多层高压 PCB 时,您可以使用基本的环氧树脂玻璃、特殊陶瓷或 Teflon 材料。


iv.Rigid Flex 高压 PCB


刚性柔性印刷电路板


这种高压PCB由刚性和柔性电路基板层压在一起组成。通常,柔性基板由柔性聚酰亚胺制成,如 Kapton 或 Norton。这些聚酰胺通常使用热、丙烯酸粘合剂和压力与铜层压在一起。这就是与刚性基板层压在一起的东西。然后,您将在生成的多层板的两侧安装组件。刚性柔性高压 PCB 不需要在两个基板之间连接电缆。这是因为柔性PCB电路实现了电气连接。这带来了许多性能优势。首先,它改善了电路的信号传输并导致电路中的阻抗受控。刚挠结合高压 PCB 还有助于消除常见的连接问题,例如冷接头。重量也减轻了,同时仍然为更多组件提供了足够的空间。


高压 PCB 设计的布局指南


在设计高压 PCB 时,首先必须隔离高压区域。将高压电路组合在一起可以最大限度地减少对电路板的影响。确保降低电路板上的电压并隔离噪声源。还应尽量减少互连。

使用设计检查确保高压 PCB 具有出色的性能和寿命保护,在您的设计中,确保遵守爬电距离和电气间隙。间隙通常是两个导电层之间通过空气的最短距离。PCB 上较小的间隙很可能导致在过电压期间在板之间形成电弧。另一方面,爬电距离是 PCB 中导电层之间的距离。它是沿绝缘表面材料的最短距离的量度。工作频率也是高压 PCB 设计中要考虑的另一个关键方面。避免使用纯锡或银来完成这种PCB。组件也应降额到最大电压,而不是平均电压。这可确保您在受到过压时产品的安全性和生存能力。为防止产生圆弧,应避免拐角和锐边。

对于焊盘,确保曲线平滑很重要。角落也应该是弯曲的。您也可以在连接点使用焊球。


PCB布局


确保您用于电路板的材料是合适的。这些材料包括 FR4 层压板、BT 环氧树脂和 Isola High V 层压板。高压 PCB 需要能够承受过电压的层压板。确保所使用的玻璃树脂含量是适当的同样非常关键。如果这些选择不当,则结果可能是最终产品中的缺陷。高压PCB中的爬电距离和电气间隙就像任何其他 PCB 一样,高压电路板也有严格的间距要求。这些通常以爬电距离和间隙来衡量。


高压 PCB 的导电元件之间很容易形成电弧。当您在高压 PCB 上正确地放置组件时,可以减少发生电弧的机会。该间距由间隙和爬电距离决定。间隙是两个导体之间空气流通的距离。当高压 PCB 之间的导电层缺乏足够的间隙时,很可能会形成电弧。爬电距离是两个导体之间的距离。然而,它是在材料的表面上,而不是通过空气。当您的高压 PCB 具有适当的爬电距离时,组件不会变得过于拥挤。


制造高压印刷电路板


与任何其他 PCB 一样,高压印刷电路板也是用铜制成的。通常,将铜镀在基板上,然后将其雕刻掉以暴露电路板的设计。


以下是有关如何制造高压 PCB 的分步程序。


第 1 步 - 设计


电路板的设计将为您提供高压 PCB 的蓝图。通常,这是使用计算机软件完成的。在生成高压 PCB 的内层和外层的详细信息时,您将使用走线宽度计算器。


第 2 步 - 打印设计


在这一步中,使用绘图仪打印机打印高压PCB的设计。这是因为它能够制作出详细说明电路板各层的薄膜。印刷后,在板的内层使用两种不同的油墨颜色。透明墨水将表示非导电区域,而导电铜迹线将用黑色墨水表示。在外层使用相同的颜色,但含义相反。


第 3 步 - 创建基板


在这个阶段,我们可以自信地说您的高压PCB已经开始成型。当您将电路板通过烤箱时,基板开始形成。将环氧树脂和玻璃纤维通过热半固化。继续将铜预键合到层的两侧,然后蚀刻以从印刷薄膜中露出设计。


第 4 步 - 打印内层


创建基材后,继续将设计打印到层压板,这是结构的主体。使用感光胶片覆盖结构。这对于蓝图的对齐和板上的最终打印也是必要的。在板上钻孔。这也将有助于对齐过程。


第 5 步 - 紫外线


对准抗蚀剂和层压板后,将它们通过紫外线照射。这将有助于硬化光刻胶。通过紫外线后,铜通路将暴露出来。黑色墨水可防止指定用于移除的部件硬化。然后,您可以将这些层深入到碱性溶液中以去除多余的光刻胶。


第 6 步 - 去除不需要的铜


在这一步中,您将去除留在板上的多余铜。要进行此过程,请使用与先前使用的碱性溶液类似的溶液清洗电路板。这将洗掉板上多余的铜。在此过程中,硬化的光刻胶将保持完整。


第 7 步 – 检查


出于对齐目的,您必须检查清洁过的层。以前钻孔还可以让您对齐内层和外层。使用光学打孔钻,您将能够排列图层。使用光学打孔器检查后,继续使用替代机器检查电路板。这将有助于消除对董事会是否完美的怀疑。使用先进的检查机很重要,因为您将无法纠正遗漏的错误。


第 8 步 - 层压图层


在这一点上,电路板现在将形成最终形状。这是板子融合在一起的结果。在层压过程开始时,使用金属夹将各层固定在一起。确保预浸料层进入对准盆。在这个子步骤之后,在预浸料上方放置一个基底层。然后应该通过放置铜箔层来成功。在此添加预浸树脂。最终,您可以继续添加一层铜。这是压板。


第 9 步 - 按下图层


您现在应该将图层压在一起。首先将销钉穿过各层,以确保它们有效对齐和固定。根据您使用的技术,这些引脚可以稍后移除。在此之后,您将对各层施加热量和压力。加热后,环氧树脂会在预浸料中熔化。另一端的压力将有助于将各层融合在一起。


第 10 步 – 钻孔


您应该使用计算机辅助钻头,这将导致基材和内面板的暴露。去除此步骤后残留的任何铜。


第 11 步 – 电镀


使用化学溶液将这些层融合在一起。继续使用推荐的化学品清洁电路板。面板将涂上一层薄铜层。这渗入了预先钻孔。


第 12 步 – 外层成像


如同您在第三步中所做的那样,在外层表面涂上一层光刻胶。然后,您可以发送面板进行成像。再次使用紫外线使光刻胶硬化。去除多余的光刻胶。


第 13 步 – 电镀


就像在步骤 11 中所做的那样,在面板上镀上一层薄薄的铜,在板上涂上一层薄薄的锡。这将为外层的铜提供保护。结果,铜不会被蚀刻掉。


第 14 步 – 蚀刻


在此步骤中,您需要去除被困在抗蚀剂层下方的多余铜。锡保护层将保护所需的铜。


第 15 步 – 阻焊层应用


在应用阻焊层之前,清洁所有面板。接下来,将环氧树脂与阻焊膜一起涂抹。如果您意识到阻焊层过多,请将电路板暴露在紫外线下。所需的阻焊层将保持烘烤在板上。


第 16 步——丝印


这是一个关键阶段,因为它确保关键信息打印在高压板上。应用后,进行最后的涂层和固化过程。


第 17 步 - 表面处理


粘合质量是表面处理的一个重要考虑因素。根据电路板的要求,您将决定使用哪种焊料。


第 18 步 – 测试


电气测试通常在电路板上进行,以确保它们符合设定的标准。您可以聘请技术人员为您执行此操作。没有这个过程,板子就不能说是完整的。与原始蓝图设计进行比较,以确保质量不受影响。


高压PCB组装工艺


第 1 步:焊膏模板


该过程与衬衫的丝网印刷相似。然而,这个过程的特殊之处在于在 PCB 上放置了一个薄的不锈钢模板。这意味着您将仅在高压 PCB 的某些部分上应用焊料。这些零件通常是最终产品中将安装组件的地方。为了有效地熔化并粘合到表面,焊料与助焊剂混合。在涂抹器的帮助下,将焊膏精确地涂抹在预定区域。该机器还将帮助您将糊状物均匀地涂抹在板上。当您最终移除模板时,焊膏将保留在预先确定的位置。


第 2 步:拾取和放置


应用焊膏后,您现在可以使用拾放机拾取和放置组件。这是一种有助于放置表面贴装元件 (SMD) 的机器人机器。然后在稍后阶段将这些组件焊接到电路板表面。过去,这个过程将使用一对镊子完成。这转化为组装人员拾取和放置组件的手动放置组件。此外,由于装配工的疲劳和眼睛疲劳,前一种方法并不完美。目前,自动化提高了精度和效率。自动化机器可以全天候工作而不会感到疲劳。

借助真空夹具,自动化机器可以将组件拾取和放置到工作站上。然后机器人将 SMT 应用到高压 PCB 表面的表面上。元件安装在之前已确定位置的焊膏上。


第 3 步:回流焊接


放置表面贴装元件后,必须确保它们粘在那里。因此需要固化焊膏以将元件支撑在板上。将高压板转移到传送带上,传送带将通过回流炉移动电路板。在烤箱中,各种加热器将电路板加热到大约 250 摄氏度的温度。这些温度会熔化焊膏中的焊料。PCB 继续在烘箱中移动,在烘箱中经受较冷的加热器以固化熔化的焊料。此外,此过程以受控方式发生,产生将表面贴装器件连接到印刷电路板的永久焊料。在双面高压PCB的回流过程中,必须采取特殊措施。有必要分别对每一面进行模板和回流。您将首先在具有更少和更小的部分的一侧进行模板印刷,然后在另一侧重复相同的操作。


第 4 步:检验和质量控制


将表面贴装组件焊接到正确位置后,测试功能。表征回流工艺的剧烈运动可能会降低连接质量。它还可能导致完全缺乏连接或电气短路。许多检查方法可用于确定不存在此类缺陷。让我们讨论一些您可以在此处使用的方法。


·人工检查


尽管最近在检查 PCB 方面取得了技术进步,但仍然普遍使用手动检查。在处理少量批次时,亲自目视检查会派上用场。这将帮助您确定回流过程后电路板的质量。


·自动光学检测


在高压PCB组装过程中检查大量批次时,这种方法是最有效的方法。使用的机器被称为自动光学检测(AIO)机器。其检测能力由高功率相机实现。此外,摄像头被战略性地放置以查看焊接连接。机器用不同的灯来表示不同焊点的质量。这使 AOI 可以识别劣质焊料。AOI 通常会在很短的时间内评估电路板的质量。


·X射线检测


X 射线检测不是一种非常常见的检测方法。它最适合被视为复杂或多层的电路板。使用 X 射线,您可以看穿这些层。这使您能够查看较低层并识别隐藏的问题。当您意识到电路板出现故障时,您有两种选择。您可以根据故障的严重程度对它们进行返工或完全报废。重要的是要注意,即使这些检查未能发现错误,也应该进行进一步的功能测试。您将测试电路板的连接以确保质量。如果您正在测试的高压板需要编程或校准,则需要进行更多测试以确定功能。您应该在回流过程后定期进行此类测试,以发现潜在问题。此类检查将确保及时识别和修复缺陷。这将帮助您节省时间和资源。


第 5 步:通孔元件插入


根据您打算从高压板上制作的应用,这些组件可能会超出通常的 SMD。一些 PCB 需要电镀通孔元件 (PTH)。

这些组件使用电镀通孔在电路板上传递信号。此类组件不能通过回流焊接 SMD 安装。将通孔元件焊接到高压印刷电路板上有两种选择。


·手工焊接


手动通孔插入是指个人将单个组件插入预定的 PTH 并进行焊接。当第一个人通过时,电路板移动到下一个也插入下一个组件的人。该过程继续进行,直到所有 PTH 组件都被适当地固定。这可能是一个非常不方便、耗时且累人的过程,尤其是当组件很多时。然而,有许多设计仍然需要这种 PTH 元件焊接方法。


·波峰焊:


这是指 PTH 元件焊接的自动化版本。然而,这种方法所涉及的过程却截然不同。将 PTH 组件放置到位后,您将把高压 PCB 板放在传送带上。传送带将穿过烤箱,熔化的焊料在烤箱中清洗电路板的底部。结果,电路板底部的引脚一次焊接。这只能在 PCB 的一侧完成,对于双面高压 PCB 可能会很棘手。第二面的元件焊接可能会干扰已焊接元件的功能。


第 6 步:最终检查和功能测试


完成焊接过程后,进行最终测试以确保电路板的功能。该过程是对高压 PCB 设计运行条件的模拟。确保您按照董事会的步伐运行电源。使用测试仪监测高压 PCB 的电气特性。电压、电流和信号输出出现不可接受的波动是电路板故障的迹象。根据波动的幅度和设定的标准来决定是报废还是回收这样的电路板。这应该是高压 PCB 组装的最后阶段。


高压PCB的应用


·航空航天应用


高压 PCB 设计也用于航空航天工业。其他电路板中常见的热应力很容易导致多个系统故障,从而产生致命的后果。这为在雷达系统制造中使用高压板提供了信息。它们还用于制造航空航天工业的通讯配件。除了飞机,这些板还用于航天器和其他空间设备。


·电力变压器


电源变压器通常使用高压 PCB 制造。这可以归因于电路板控制热应力的能力。通常,电力变压器充当各种电力用户的配电网。这涉及许多必须调节的热波动。


结论


高压 PCB 在制造在波动热条件下工作的应用中非常重要。它们是专门为处理此类波动而设计的。通过正确制造电路板到组装过程,您可以保证效率。因此,您需要考虑本指南中强调的每个方面。对于高压 PCB,请立即联系我们。





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