【導(dǎo)讀】許多新入行的電力電子設(shè)計(jì)人員（包括高電壓電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員）會(huì)向制造商請(qǐng)求默認(rèn)疊層并立即開(kāi)始創(chuàng)建PCB布局。對(duì)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，這些材料必須滿足特定的操作標(biāo)準(zhǔn)才能滿足基本性能需求。許多新入行的電力電子設(shè)計(jì)人員（包括高電壓電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員）會(huì)向制造商請(qǐng)求默認(rèn)疊層并立即開(kāi)始創(chuàng)建PCB布局。對(duì)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(duì)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(shù)其他電路板所沒(méi)有的。如果您的制造廠專門(mén)從事高電壓PCB并手握庫(kù)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(biāo)準(zhǔn)疊層。如果您需要選擇自己的材料，請(qǐng)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(dá)到kV范圍，無(wú)論是直流還是交流。層壓板數(shù)據(jù)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(qǐng)注意以下規(guī)格：
相對(duì)漏電起痕指數(shù)（CTI）
用于量化設(shè)計(jì)承受電介質(zhì)擊穿能力的重要總結(jié)性指標(biāo)之一是其相對(duì)漏電起痕指數(shù)（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(dǎo)電性，這會(huì)增加泄漏電流并隨著時(shí)間的推移加速擊穿。
IEC-60950-1和IPC-2221等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(jí)類別（PLC）：
實(shí)際上，CTI為您提供了一種方法，可以在導(dǎo)體間距變得非常小時(shí)估算兩個(gè)導(dǎo)體之間的漏電流。應(yīng)該注意的是，CTI捕獲的退化與導(dǎo)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(yuǎn)高于CTI額定值，通常在kV左右。暴露在這些電壓下的設(shè)計(jì)至少需要一個(gè)PLC 0材料，以確保長(zhǎng)期可靠性。
樹(shù)脂含量、玻璃編織和固化劑
設(shè)計(jì)中使用的材料體系，將影響設(shè)計(jì)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(rèn)為是高電壓PCB設(shè)計(jì)的低端產(chǎn)品，因?yàn)楸M管它們具有高擊穿電壓值，但也具有低CTI值（~200-300 V DC）。隨著時(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(dǎo)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(dǎo)體之間枝晶結(jié)構(gòu)的電化學(xué)生長(zhǎng)。
. 樹(shù)脂含量較低時(shí)出現(xiàn)空隙，這將增加PCB疊層中各層之間降解機(jī)制的機(jī)會(huì)。在高電壓設(shè)計(jì)中通常首選較高的樹(shù)脂含量，這意味著纖維編織會(huì)更松散。
在基于雙氰胺（DICY）的FR4層壓板中，玻璃轉(zhuǎn)換溫度（Tg）值可能相當(dāng)高，達(dá)到180°C左右。然而，這些樹(shù)脂系統(tǒng)在高電壓梯度下可能會(huì)更早失效，如Isola的數(shù)據(jù)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(zhǎng)，因?yàn)楣袒瘜訅喊逯械腃AF生長(zhǎng)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(xì)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(zhǎng)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）還是類似ENIG的標(biāo)準(zhǔn)表面處理，成品表面都應(yīng)該盡可能光滑。具有更光滑表面處理的設(shè)計(jì)是首選，因?yàn)榇植诘慕涌跁?huì)產(chǎn)生靜電荷易積聚的區(qū)域。在低電壓下，這并不是真正的問(wèn)題，因?yàn)閷?dǎo)體各部分之間的場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)該能夠就這一點(diǎn)提供指導(dǎo)。
銅層中的劃痕會(huì)增加電弧的風(fēng)險(xiǎn)
當(dāng)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(xiàn)，盡管情況并非總是如此。當(dāng)電流較高時(shí)，銅重量應(yīng)該更高，并且在某些時(shí)候，當(dāng)大型布局中的電流超過(guò)~100 A時(shí)，您將需要切換到母線。IPC-2152列線圖是開(kāi)始為您的PCB調(diào)整導(dǎo)體尺寸的好選擇，但請(qǐng)注意，該標(biāo)準(zhǔn)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(jié)底，您選擇的層壓板能夠支撐您的電路板并且能夠承受長(zhǎng)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(xù)規(guī)劃疊層和PCB布局了。應(yīng)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(guī)則，這些規(guī)則涉及安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的導(dǎo)體間距。IPC-2221將是大多數(shù)PCB在剛性電路板上布局的起點(diǎn)。或者，對(duì)于更可靠的要求，如軍用航空電子設(shè)備，MIL-STD-275建議將間距設(shè)置為8V/mil，不過(guò)其中一些標(biāo)準(zhǔn)較舊，尚未更新以考慮對(duì)1000V/miL的HVPF或Kapton等新材料的處理。請(qǐng)注意這些PCB標(biāo)準(zhǔn)和其他行業(yè)特定標(biāo)準(zhǔn)（例如IEC）以獲得更多指導(dǎo)。
(本文轉(zhuǎn)載自：Altium，博客作者：Zachariah Peterson）
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