为高电压PCB设计和布局选择材料

博客作者：Zachariah Peterson

上图中所有元件下方的某处是由刚性叠层材料制成的PCB，这些材料必须满足特定的操作标准才能满足基本性能需求。许多新入行的电力电子设计人员（包括高电压电力系统设计人员）会向制造商请求默认叠层并立即开始创建PCB布局。对于许多通用产品来说，这是完全可以接受（并且经常被推荐）的做法，例如较小的微控制器电路板。

那如果对高电压PCB材料采用同样的方法会有什么问题呢？

高电压PCB存在某些安全性和可靠性问题，这是大多数其他电路板所没有的。如果您的制造厂专门从事高电压PCB并手握库存材料，他们可能会推荐一套材料，以及您可能用于某些电压范围和频率的标准叠层。如果您需要选择自己的材料，请按照以下提示来帮助您缩小范围以确定合适的材料集。

选择正确的高电压PCB材料

我们所提到的“高电压”通常指的是达到kV范围，无论是直流还是交流。层压板数据表中的一些材料属性可以帮助您确定哪种层压板最适合您的电路板，并确保在高电压下的可靠性。高电压PCB中使用的一些基板材料示例包括：

. BT环氧树脂
. 酚醛固化刚性层压板
. 高电压聚四氟乙烯（HVPF）

如果您想使用不同的材料集，请注意以下规格：

相对漏电起痕指数（CTI）

用于量化设计承受电介质击穿能力的重要总结性指标之一是其相对漏电起痕指数（CTI）。CTI定义了绝缘材料（如PCB基板）在表面附近开始击穿的电压。在击穿过程中，材料开始碳化并变得更具导电性，这会增加泄漏电流并随着时间的推移加速击穿。

IEC-60950-1和IPC-2221等行业标准提到了一些基于CTI值的高电压PCB推荐材料。这些值也可以使用一些标准测试来确定，最值得注意的是使用UL 746A、IEC 60112或ASTM D3638。CTI值分为六个性能等级类别（PLC）：

实际上，CTI为您提供了一种方法，可以在导体间距变得非常小时估算两个导体之间的漏电流。应该注意的是，CTI捕获的退化与导致电离和随后电流浪涌的电介质击穿不同。这些额定值远高于CTI额定值，通常在kV左右。暴露在这些电压下的设计至少需要一个PLC 0材料，以确保长期可靠性。

树脂含量、玻璃编织和固化剂

设计中使用的材料体系，将影响设计的可靠性，特别是树脂含量和固化剂。FR4层压板可用于被认为是高电压PCB设计的低端产品，因为尽管它们具有高击穿电压值，但也具有低CTI值（~200-300 V DC）。随着时间的推移，高电压PCB材料的弹性与树脂含量和固化剂有关。这在高电压PCB中很重要，有两个原因：

. 导电阳极丝化（CAF）故障，其中高电压促使金属迁移以及处于高电位的导体之间枝晶结构的电化学生长。
. 树脂含量较低时出现空隙，这将增加PCB叠层中各层之间降解机制的机会。在高电压设计中通常首选较高的树脂含量，这意味着纤维编织会更松散。

在基于双氰胺（DICY）的FR4层压板中，玻璃转换温度（Tg）值可能相当高，达到180°C左右。然而，这些树脂系统在高电压梯度下可能会更早失效，如Isola的数据所示（见下文）。虽然两者可能具有相似的CTI，但使用酚醛固化剂的故障率更长，因为固化层压板中的CAF生长受到抑制。

采用HASL表面处理的DICY固化材料和酚醛固化材料，在100 V下的PCB可靠性比较。

高电压板可靠性的另一个方面是玻璃编织。诸如1080、2113或2116等更精细的玻璃编织物是理想选择，而像106编织物这样松散可能会缩短长期使用寿命。这些编织仍然允许树脂流动和渗透，同时平衡在较低电压下抑制CAF的需要。

表面处理和铜重量

您还希望铜质量能够满足高电压操作要求。这涉及到选择铜重量和表面处理。无论您使用的是裸铜（不推荐）还是类似ENIG的标准表面处理，成品表面都应该尽可能光滑。具有更光滑表面处理的设计是首选，因为粗糙的接口会产生静电荷易积聚的区域。在低电压下，这并不是真正的问题，因为导体各部分之间的场强太低而不会在空气中引起电弧或电介质击穿。在处理成品板以及所需铜重量的最佳电镀材料/厚度方面，您的制造商应该能够就这一点提供指导。

铜层中的划痕会增加电弧的风险

当查看高电流材料时，铜重量会变得更加重要，这往往与高电压一起出现，尽管情况并非总是如此。当电流较高时，铜重量应该更高，并且在某些时候，当大型布局中的电流超过~100 A时，您将需要切换到母线。IPC-2152列线图是开始为您的PCB调整导体尺寸的好选择，但请注意，该标准中推荐的值可能过于保守，并不普遍适用于所有PCB。

开始您的高电压PCB布局

归根结底，您选择的层压板能够支撑您的电路板并且能够承受长期的高电压操作。整理好PCB的层压层、铜重量和电镀层后，您就可以继续规划叠层和PCB布局了。应与您的制造商协商创建叠层，如果您的特定层压板不可用，他们通常会建议替代层压板。

接下来，您需要确保布局符合基本的安全和可靠性规则，这些规则涉及安全标准规定的导体间距。IPC-2221将是大多数PCB在刚性电路板上布局的起点。或者，对于更可靠的要求，如军用航空电子设备，MIL-STD-275建议将间距设置为8V/mil，不过其中一些标准较旧，尚未更新以考虑对1000V/miL的HVPF或Kapton等新材料的处理。请注意这些PCB标准和其他行业特定标准（例如IEC）以获得更多指导。