Projeto de distância de fuga e trilhamento de alta tensão em PCBs com cura UV

Projeto de distância de fuga e trilhamento de alta tensão em PCBs com cura UV

Sumário

Os estágios de disparo, lastro e filtro de uma fonte de cura UV operam a 5–20 kV em FR-4, e a superfície da placa entre esses nós sofre alterações químicas sob luz de 200–450 nm. O espaçamento físico é fixo, mas o espaçamento elétrico não. Este artigo apresenta a resistência superficial, o aquecimento Joule e o cálculo do tempo de percurso, quatro modos de falha em campo, as regras de redução de potência e de ranhura, e o monitor de corrente de fuga que emite um alerta antes da primeira descarga disruptiva.

1. Introdução

As seções de alta tensão de uma fonte de cura UV operam entre 5 e 20 kV, e seu isolamento depende da distância de fuga: o caminho mais curto ao longo da superfície da placa entre dois condutores com potenciais diferentes. As normas IEC 60664 e IPC-2221 estabelecem a distância de fuga mínima para um determinado grau de contaminação e grupo de materiais.

Essas tabelas consideram o ar industrial comum. Dentro de uma máquina de cura, a mesma placa é exposta a fótons de 200 a 450 nm, ozônio, calor e solventes de limpeza. A resina epóxi FR-4 oxida, a superfície torna-se polar e hidrofílica, e os compostos orgânicos presentes no ar sofrem fotopolimerização, formando uma película que se torna condutora devido à umidade.

A distância física nunca muda. A distância que efetivamente impede a tensão, sim. Essa diferença explica a falha mais difícil de reproduzir: uma placa que passou nos testes de alta tensão e descarga parcial na fábrica apresenta um curto-circuito após um ano, com geometria inalterada e nenhum componente defeituoso.

Este artigo apresenta os cálculos de condução e rastreamento de superfície, os quatro modos de falha em campo, as regras de redução de potência e de ranhuras, e o monitor de vazamento que transforma uma superfície instável em uma tendência mensurável.

2. Mecanismo Central

2.1 Resistência à fuga superficial

Uma película contaminada entre dois condutores comporta-se como um resistor cujo valor segue a geometria da película e a resistividade superficial do laminado.

R_s = ρ_s · d / w

onde R_s é a resistência de fuga superficial, ρ_s é a resistividade superficial do laminado envelhecido, d é o comprimento de fuga entre os condutores e w é a largura da película condutora. A exposição aos raios UV e a contaminação reduzem ρ_s em uma a três décadas em um a três anos, de modo que uma película que media 50 MΩ quando a máquina era nova atinge 5 MΩ ou menos ao final da garantia.

2.2 Aquecimento por efeito Joule e a condição de rastreamento

A corrente de fuga através de uma constrição localizada dessa película dissipa energia em poucos milímetros quadrados do laminado.

P = I² · R_s

onde P é a potência dissipada, I é a corrente de fuga e R_s é a resistência de fuga superficial. A 10 kV através do filme de 50 MΩ da Seção 2.1, a corrente de fuga é de 200 µA e o filme queima 2 W. Compactado em poucos milímetros quadrados, isso eleva a superfície acima da temperatura de carbonização de 300 °C da resina epóxi, e o resíduo carbonizado é carbono condutor.

2.3 Tempo de rastreamento em relação à distância de fuga

O tempo necessário para que uma superfície limpa se transforme em uma ponte de carbono é proporcional ao quadrado da distância de fuga e inversamente proporcional ao quadrado da tensão aplicada.

t_track = K · d² / (V² · σ_s)

onde t_track é o tempo até a formação de uma trilha de carbono, K é uma constante empírica para o laminado e o acabamento, d é a distância de fuga, V é a tensão aplicada e σ_s é a condutividade superficial no final da vida útil. Dobrar a distância de fuga quadruplica o tempo. Um nó de 10 kV com 25 mm de distância de fuga apresentou uma trilha de carbono em 18 meses em campo; a mesma superfície atinge 6 anos com 50 mm e 10 anos com 65 mm.

2.4 Descarga de junção tripla e resposta do monitor

Um segundo caminho se abre na junção entre o corpo do capacitor, o filete de solda e a superfície da placa. Acima do nível de início da descarga parcial (DP), as descargas corroem o laminado e o esmalte externo, e a cavidade concentra o campo até atingir um eletrodo. O monitor de fuga que observa esse fenômeno precisa de sua própria constante de tempo.

τ = R · C

onde τ é a constante de tempo do monitor, R é a resistência de monitoramento em série e C é a capacitância do nó. Com um monitor de 10 MΩ e um nó de 4700 pF, a constante é de 47 ms, portanto o valor registrado é estável em um quarto de segundo.

Figura 1 — A 10 kV, um nó FR-4 sem revestimento apresenta uma taxa de varredura de 18 meses com 25 mm e necessita de 65 mm para dez anos, enquanto uma placa ranhurada revestida atravessa dez anos com cerca de 37 mm.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: A margem se desgasta enquanto a geometria permanece estática.

A placa passa nos testes de alta tensão e descarga parcial na fábrica, a geometria de fuga nunca muda e, após um ano de serviço, a corrente de fuga triplicou e a máquina desliga sem uma falha repetível. Nenhum componente falhou, mas a superfície sim. Essa falha é difícil de reproduzir porque depende da dose acumulada de raios UV.

Problema 2: A poeira fotopolimeriza-se, formando uma película condutora.

Partículas orgânicas em suspensão no ar se depositam na placa em fábricas de impressão e revestimento, e a luz UV as polimeriza, formando uma película que se torna condutora devido à umidade. Uma placa aparentemente limpa apresenta uma resistência de 50 MΩ entre os nós de disparo, e essa película é invisível sob alta ampliação.

Problema 3: Os terminais do capacitor se tornam o ponto fraco.

O corpo de um capacitor é projetado para uso interno em ambientes limpos. Montado em uma placa sujeita a degradação, o espaçamento entre seus terminais torna-se o caminho mais curto no circuito, e o retorno de campo identifica o capacitor enquanto a placa causou a sobrecarga.

Problema 4: A limpeza com solventes acelera os danos.

As equipes de manutenção limpam as placas com álcool isopropílico e solventes específicos. O solvente extrai os plastificantes e deixa um resíduo, que por sua vez sofre reticulação fotoquímica sob a luz da lâmpada. A etapa de limpeza acelera a degradação que deveria remover.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Reduzir a classificação da tabela de distância de fuga para serviço UV

Considerando um grau de poluição de 3 e adicionando um fator UV, multiplique a distância mínima de fuga da norma IEC 60664 para a classe de tensão por 1.5 a 2 vezes em placas expostas à radiação de lâmpadas. Para 10 kV, isso resulta em um percurso superficial de 50 a 60 mm, em vez dos 25 a 30 mm indicados na tabela.

Estratégia 2: Cortar os slots de roteamento entre nós de alta tensão

Um rasgo de 5 mm de profundidade entre os nós de disparo duplica o caminho da superfície a um custo quase nulo. Especifique ranhuras roteadas no contorno da placa em vez de depender da separação da máscara de solda, pois a máscara retém a película que transporta a fuga de corrente.

Estratégia 3: Escolha embalagens com folga na carroceria

Selecione um N4700 disco ou um HVCT8G A parte do terminal de parafuso, cuja altura e superfície de contato se estendem do topo do capacitor até a superfície da placa, deve ter uma distância mínima de fuga de 20 mm no corpo do capacitor para a classe de 10 kV.

Estratégia 4: Revestir a zona de alta tensão com uma camada protetora conformal.

Após a montagem, aplique um revestimento conformal de silicone de alta pureza e resistente aos raios UV sobre a área. O revestimento aumenta a resistividade da superfície em 100 vezes e impede a entrada de poeira. O silicone é a escolha ideal porque não amarela nem racha sob a luz da lâmpada, enquanto um capacitor de filme Em outras partes do palco, não há qualquer proteção para a superfície da prancha.

Estratégia 5: Instrumentar a corrente de fuga

Adicione um resistor de 10 a 100 MΩ. resistor de amostragem no circuito de disparo e registre a tendência de fuga de corrente. Uma duplicação da corrente em seis meses é o primeiro sinal de alerta de degradação da superfície, dando tempo para reaplicar o revestimento ou substituir a placa antes da primeira descarga disruptiva.

Estratégia 6: Qualificar a superfície por envelhecimento UV.

Submeta os cupons de teste de envelhecimento a 10 vezes o fluxo operacional por 500 horas com polarização aplicada e meça a resistividade da superfície semanalmente. Aceite um laminado somente quando sua superfície ainda apresentar resistividade acima de 100 GΩ após o envelhecimento. resistor de filme espesso Na cadeia divisora, a superfície é a mesma, portanto, qualifica-se no mesmo cupom.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Tensão nominal (série HVCT8G)	10 kV CC	alta potência 1.5× por 60 s
Capacidade	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	abaixo de 50 mΩ	25 ° C
Indutância do laço (corda E40)	abaixo de 8 nH	Espaçamento entre terminais de 40 mm
resistência de isolamento	acima de 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Faixa de temperatura	-40°C a +125°C	Série IEC 60068-2
Capacidade de dv/dt de pulso	acima de 50 kV/µs	na tensão nominal

5. Capacitores HVC para placas expostas a UV

Três propriedades determinam se um capacitor ajuda ou prejudica a margem de fuga: geometria do corpo, composição química da superfície e perdas. A HVC fabrica componentes N4700 que atendem a todas as três características.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Os corpos dos conectores tipo disco e parafuso 441 criam longos caminhos de superfície entre os terminais, de modo que o corpo aumenta a distância de fuga da placa em vez de reduzi-la.
• O titanato de estrôncio N4700 (T3M), com uma superfície de esmalte densa, absorve uma quantidade insignificante de umidade, o que mantém a resistividade da superfície do corpo elevada em um ambiente úmido.
• Um valor de tanδ igual ou inferior a 0.1% a 1 kHz mantém o corpo resfriado, de modo que a temperatura de carbonização da lâmina local nunca é atingida, chegando a 300 °C.
• Uma PD abaixo de 5 pC a 1.2× a tensão nominal elimina a erosão da tripla junção que normalmente abre a primeira cavidade na área de contato do capacitor.
• ±30 ppm/°C e uma faixa completa de 1 kV a 100 kV mantêm o mesmo layout de fuga e distância de isolamento nos estágios de disparo, lastro e filtro.
• Validação em campo: um capacitor de parafuso HVC 40 kV / 441 substituiu uma peça de marca líder em programas de serviço de campo de alta tensão, e a mesma construção corresponde aos parâmetros elétricos de Vishay Gama de cabos radiais HVCC e KEMET.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas e os conjuntos combinados em 6 a 10 semanas. A equipe de engenharia de aplicações da HVC analisa a estrutura da placa, os nós de tensão e a rotina de manutenção do local.

Envie as tensões dos nós, o fluxo UV na placa, o desenho da área de fuga e o método de limpeza. A HVC retorna um plano de área de fuga, um encapsulamento de capacitor com área de fuga correspondente e amostras certificadas para avaliação de envelhecimento por UV em até duas semanas.

6. Perguntas frequentes

P1: Por que uma placa passa no teste de alta tensão (hipot) e falha após um ano?

Porque o Hipot mede a placa com a qual foi construído. A resistividade da superfície cai de uma a três ordens de grandeza ao longo de um a três anos de exposição aos raios UV, portanto a corrente de fuga a 10 kV aumenta de alguns microamperes para centenas. O Hipot na fábrica não consegue detectar essa tendência.

Q2: De quanta distância extra de segurança é necessária para o serviço UV?

Multiplique o valor da tabela IEC 60664 por 1.5 a 2 vezes para grau de poluição 3 com fator UV. A 10 kV, isso transforma o valor da tabela de 25 a 30 mm em um percurso superficial de 50 a 60 mm, e o tempo de rastreamento aumenta com o quadrado dessa distância.

P3: O que se compra com um slot de 5 mm?

Isso duplica o caminho superficial através da lacuna, de modo que o tempo de rastreamento aumenta cerca de quatro vezes. A ranhura também interrompe a película que transporta a fuga, razão pela qual um sulco fresado funciona melhor do que uma folga adicional na máscara de solda.

Q4: Qual aviso vem primeiro, vazamento ou descarga parcial?

Vazamento. Um resistor de amostragem de 10 a 100 MΩ na fonte de alimentação do gatilho registra a tendência meses antes da primeira descarga, e uma duplicação em seis meses é evidência suficiente para revestir a zona novamente.

Q5: Qual deve ser a distância de fuga superficial do capacitor?

Especifique uma distância de fuga de pelo menos 20 mm no corpo do capacitor para a classe de 10 kV. Abaixo desse valor, o espaçamento entre os terminais torna-se o caminho mais curto no layout, à medida que a superfície da placa envelhece.

Q6: O revestimento conformal substitui a margem de fuga?

Não. O revestimento aumenta a resistividade da superfície em cerca de 100 vezes e bloqueia a poeira, mas ainda é necessária uma distância mínima de proteção abaixo dele. Primeiro, projete essa distância e, em seguida, aplique o revestimento.

7. Referências

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