2025-07-24
ภาพที่ได้รับอนุญาตจากลูกค้า
ใน PCB หลายชั้น—ที่ใช้ในทุกสิ่งตั้งแต่ไดรฟ์มอเตอร์อุตสาหกรรมไปจนถึงอุปกรณ์ถ่ายภาพทางการแพทย์—ฉนวนระหว่างชั้นไม่ใช่แค่รายละเอียดการออกแบบเท่านั้น: มันเป็นสิ่งจำเป็นด้านความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือ บอร์ดเหล่านี้ซ้อนกัน 4–40+ ชั้นของทองแดงและวัสดุไดอิเล็กทริก โดยที่ชั้นที่อยู่ติดกันมักจะนำไฟฟ้าแรงสูง (100V ถึง 10kV+) ความล้มเหลวของฉนวนเพียงครั้งเดียวอาจทำให้เกิดอาร์ค วงจรลัด หรือแม้แต่ไฟไหม้ สำหรับวิศวกร การทำความเข้าใจวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพความสามารถในการทนต่อแรงดันไฟฟ้า—ผ่านการเลือกวัสดุ การเลือกการออกแบบ และการทดสอบ—สามารถลดความล้มเหลวในสนามได้ถึง 60% และรับประกันการปฏิบัติตามมาตรฐานต่างๆ เช่น IPC-2221 และ UL 94 นี่คือวิธีการออกแบบ PCB หลายชั้นที่จัดการแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการได้อย่างปลอดภัย
ประเด็นสำคัญ
ก. การทนต่อแรงดันไฟฟ้าระหว่างชั้นขึ้นอยู่กับวัสดุไดอิเล็กทริก ความหนาของฉนวน และปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม (อุณหภูมิ ความชื้น)
ข. PCB ที่ใช้ FR-4 เหมาะสำหรับการใช้งานแรงดันไฟฟ้าต่ำ (≤500V) ในขณะที่ระบบแรงดันไฟฟ้าสูงต้องใช้วัสดุพิเศษ เช่น PTFE หรือลามิเนตที่เติมเซรามิก
ค. การปรับแต่งการออกแบบ—รอยต่อแบบโค้งมน ระยะห่างที่สม่ำเสมอ และระยะห่างขอบ—ช่วยลดความเสี่ยงของ “การปล่อยประจุโคโรนา” ใน PCB แรงดันไฟฟ้าสูง
ง. การทดสอบตามมาตรฐาน IPC-TM-650 (เช่น แรงดันไฟฟ้าพังทลายของไดอิเล็กทริก) ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือในสภาวะที่รุนแรง
เหตุใดการทนต่อแรงดันไฟฟ้าระหว่างชั้นจึงมีความสำคัญ
PCB หลายชั้นแยกชั้นพลังงาน ชั้นกราวด์ และชั้นสัญญาณ แต่ชั้นที่อยู่ติดกันมักจะทำงานที่ศักย์ไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น:
ก. ตัวควบคุมอุตสาหกรรมแบบ 3 เฟสอาจมี 480V AC ระหว่างชั้นพลังงาน
ข. ระบบจัดการแบตเตอรี่ EV (BMS) มี 600V+ ระหว่างแรงดันไฟฟ้าสูงและชั้นสัญญาณ
ค. เครื่องกระตุกหัวใจทางการแพทย์ใช้ 2kV ระหว่างชั้นเก็บพลังงานและชั้นควบคุม
หากฉนวนล้มเหลว กระแสไฟจะอาร์คระหว่างชั้น ทำให้รอยต่อหลอมละลาย ทำลายส่วนประกอบ หรือสร้างอันตรายด้านความปลอดภัย ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม ความล้มเหลวดังกล่าวมีค่าใช้จ่ายเฉลี่ย 20,000 ดอลลาร์ต่อเหตุการณ์ (รวมถึงเวลาหยุดทำงานและการซ่อมแซม) ตามการสำรวจโดย IEEE
ปัจจัยที่มีผลต่อการทนต่อแรงดันไฟฟ้าใน PCB หลายชั้น
ปัจจัยหลักสามประการที่กำหนดความสามารถของ PCB ในการต้านทานแรงดันไฟฟ้าระหว่างชั้น:
1. คุณสมบัติของวัสดุไดอิเล็กทริก
ชั้นฉนวน (ไดอิเล็กทริก) ระหว่างชั้นทองแดงเป็นแนวป้องกันแรก ตัวชี้วัดที่สำคัญ ได้แก่:
ก. ความแข็งแรงของไดอิเล็กทริก: แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่วัสดุสามารถทนได้ก่อนเกิดอาร์ค (วัดเป็น kV/mm)
ข. สภาพต้านทานปริมาตร: การวัดความต้านทานของฉนวน (สูงขึ้น = ดีกว่า วัดเป็น Ω·cm)
ค. ความเสถียรของอุณหภูมิ: ประสิทธิภาพของฉนวนจะลดลงที่อุณหภูมิสูง วัสดุที่มีการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) สูงจะยังคงความแข็งแรงไว้
| วัสดุไดอิเล็กทริก | ความแข็งแรงของไดอิเล็กทริก (kV/mm) | สภาพต้านทานปริมาตร (Ω·cm) | อุณหภูมิใช้งานสูงสุด | เหมาะสำหรับช่วงแรงดันไฟฟ้า |
|---|---|---|---|---|
| FR-4 มาตรฐาน | 15–20 | 10¹⁴–10¹⁵ | 130°C | ≤500V (ผู้บริโภค พลังงานต่ำ) |
| FR-4 ที่มี Tg สูง | 18–22 | 10¹⁵–10¹⁶ | 170°C+ | 500V–2kV (การควบคุมอุตสาหกรรม) |
| PTFE (เทฟลอน) | 25–30 | 10¹⁶–10¹⁷ | 260°C | 2kV–10kV (แหล่งจ่ายไฟ) |
| ลามิเนตที่เติมเซรามิก | 30–40 | 10¹⁷–10¹⁸ | 200°C+ | 10kV+ (หม้อแปลงไฟฟ้าแรงสูง เรดาร์) |
2. ความหนาของฉนวน
ชั้นไดอิเล็กทริกที่หนาขึ้นจะเพิ่มความสามารถในการทนต่อแรงดันไฟฟ้า—แต่มีข้อแลกเปลี่ยน:
ก. ชั้น FR-4 ขนาด 0.2 มม. ทนได้ ~3kV การเพิ่มความหนาเป็นสองเท่าเป็น 0.4 มม. จะเพิ่มความทนทานเป็น ~6kV (ความสัมพันธ์เชิงเส้นสำหรับวัสดุส่วนใหญ่)
ข. อย่างไรก็ตาม ชั้นที่หนาขึ้นจะเพิ่มน้ำหนัก PCB และลดความสมบูรณ์ของสัญญาณในการออกแบบความเร็วสูง (เช่น 5G)
สำหรับ PCB แรงดันไฟฟ้าสูง วิศวกรใช้ “ขอบความปลอดภัย”: ออกแบบสำหรับแรงดันไฟฟ้าใช้งาน 2–3 เท่า ตัวอย่างเช่น ระบบ 1kV ควรใช้ฉนวนที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับ 2–3kV เพื่อคำนึงถึงไฟกระชาก
3. ตัวสร้างความเครียดด้านสิ่งแวดล้อม
สภาวะในโลกแห่งความเป็นจริงทำให้ฉนวนเสื่อมสภาพเมื่อเวลาผ่านไป:
ก. อุณหภูมิ: ทุกๆ การเพิ่มขึ้น 10°C เหนือ 25°C จะลดความแข็งแรงของไดอิเล็กทริก 5–8% (เช่น FR-4 ที่ 100°C จะสูญเสียความแข็งแรง 30% ของอุณหภูมิห้อง)
ข. ความชื้น: การดูดซับความชื้น (ทั่วไปใน PCB ที่ไม่มีการเคลือบ) จะลดสภาพต้านทาน ชั้น FR-4 ขนาด 1 มม. ในความชื้น 90% อาจเห็นแรงดันไฟฟ้าที่ทนได้ลดลง 50%
ค. การปนเปื้อน: ฝุ่น น้ำมัน หรือสารตกค้างจากฟลักซ์สร้างเส้นทางนำไฟฟ้า PCB อุตสาหกรรมมักใช้การเคลือบแบบสอดคล้อง (เช่น ซิลิโคน) เพื่อปิดผนึกฉนวน
กลยุทธ์การออกแบบเพื่อเพิ่มการทนต่อแรงดันไฟฟ้า
การออกแบบ PCB หลายชั้นสำหรับแรงดันไฟฟ้าสูงต้องใช้การเลือกการออกแบบเชิงรุก:
1. การจับคู่วัสดุกับความต้องการแรงดันไฟฟ้า
แรงดันไฟฟ้าต่ำ (≤500V): FR-4 มาตรฐานที่มีชั้นไดอิเล็กทริก 0.1–0.2 มม. เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (เช่น สมาร์ททีวี เราเตอร์)
แรงดันไฟฟ้าปานกลาง (500V–5kV): FR-4 หรือโพลีอิไมด์ (PI) ที่มี Tg สูงพร้อมชั้น 0.2–0.5 มม. เหมาะสำหรับเซ็นเซอร์อุตสาหกรรมและพอร์ตชาร์จ EV
แรงดันไฟฟ้าสูง (5kV+): PTFE หรือลามิเนตที่เติมเซรามิก (ชั้น 0.5–2 มม.) มีความสำคัญสำหรับอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าและเครื่องกระตุกหัวใจทางการแพทย์
2. การลดความเสี่ยงของ “การปล่อยประจุโคโรนา”
สนามไฟฟ้าแรงสูงจะรวมตัวกันที่ขอบที่แหลมคม (เช่น มุมรอยต่อ 90° หรือทองแดงที่เปิดออก) สร้างการปล่อยประจุโคโรนา—ประกายไฟเล็กๆ ที่กัดกร่อนฉนวนเมื่อเวลาผ่านไป การแก้ไข ได้แก่:
รอยต่อแบบโค้งมน: ใช้มุม 45° หรือโค้งมนแทนมุม 90° เพื่อกระจายสนามไฟฟ้า
ระยะห่างที่เพิ่มขึ้น: รักษารอยต่อแรงดันไฟฟ้าสูงให้ห่างกัน 3 เท่ากว่ารอยต่อแรงดันไฟฟ้าต่ำ (เช่น 3 มม. เทียบกับ 1 มม. สำหรับ 1kV)
ระนาบกราวด์: เพิ่มชั้น “เกราะ” ที่ต่อลงดินระหว่างชั้นแรงดันไฟฟ้าสูงและต่ำเพื่อควบคุมสนามไฟฟ้า
3. ระยะห่างขอบและการซ้อนชั้น
ระยะห่างขอบ: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าชั้นทองแดงสิ้นสุดลง 2–5 มม. ก่อนขอบ PCB เพื่อป้องกันการเกิดอาร์คระหว่างชั้นที่เปิดออก
การซ้อนแบบสมมาตร: สมดุลจำนวนชั้น (เช่น 4 ชั้น: สัญญาณ/กราวด์/พลังงาน/สัญญาณ) เพื่อหลีกเลี่ยงการบิดงอ ซึ่งอาจทำให้ชั้นไดอิเล็กทริกแตกได้
หลีกเลี่ยงการทับซ้อนกันของ vias: วาง vias ระหว่างชั้นเพื่อป้องกันเส้นทางนำไฟฟ้าผ่านฉนวน
การทดสอบและการตรวจสอบความถูกต้อง: การสร้างความมั่นใจในความน่าเชื่อถือ
ไม่มีการออกแบบใดสมบูรณ์หากไม่มีการทดสอบอย่างเข้มงวด:
1. การทดสอบการพังทลายของไดอิเล็กทริก
วิธีการ: ใช้แรงดันไฟฟ้า AC/DC ที่เพิ่มขึ้นระหว่างชั้นจนกว่าจะเกิดอาร์ค บันทึกแรงดันไฟฟ้าพังทลาย
มาตรฐาน: IPC-TM-650 2.5.6.2 ระบุเงื่อนไขการทดสอบ (เช่น 50Hz AC, อัตราการเพิ่มขึ้น 1kV/วินาที)
เกณฑ์การผ่าน: แรงดันไฟฟ้าพังทลายต้องเกิน 2 เท่าของแรงดันไฟฟ้าใช้งาน (เช่น 2kV สำหรับระบบ 1kV)
2. การทดสอบการปล่อยประจุบางส่วน (PD)
วัตถุประสงค์: ตรวจจับการปล่อยประจุขนาดเล็กที่ไม่ทำลาย (โคโรนา) ที่ส่งสัญญาณถึงความล้มเหลวในอนาคต
การใช้งาน: สำคัญสำหรับ PCB แรงดันไฟฟ้าสูง (5kV+) ระดับ PD >10pC บ่งชี้ถึงจุดอ่อนของฉนวน
3. การทดสอบด้านสิ่งแวดล้อม
การหมุนเวียนความร้อน: ทดสอบที่ -40°C ถึง 125°C เป็นเวลา 1,000+ รอบเพื่อจำลองการเสื่อมสภาพ
การทดสอบความชื้น: 85°C/85% RH เป็นเวลา 1,000 ชั่วโมงเพื่อตรวจสอบความทนทานต่อความชื้น
การใช้งานและผลลัพธ์ในโลกแห่งความเป็นจริง
ก. อินเวอร์เตอร์อุตสาหกรรม: ไดรฟ์มอเตอร์ 3kV ที่ใช้ชั้น PTFE ขนาด 0.5 มม. (พิกัด 15kV) ลดความล้มเหลวในสนามได้ 70% เมื่อเทียบกับการออกแบบ FR-4
ข. สถานีชาร์จ EV: ระบบ 600V ที่มี FR-4 ที่มี Tg สูง (ชั้น 0.3 มม.) และการเคลือบแบบสอดคล้องรักษาความน่าเชื่อถือ 100% ตลอดวงจรการชาร์จ 5,000+ รอบ
ค. การถ่ายภาพทางการแพทย์: เครื่องเอ็กซ์เรย์ 2kV ที่ใช้ลามิเนตที่เติมเซรามิก (ชั้น 1 มม.) ผ่านมาตรฐานความปลอดภัย IEC 60601-1 โดยไม่มี PD ตรวจพบที่ 3kV
คำถามที่พบบ่อย
ถาม: PCB หลายชั้นที่มี 40+ ชั้นสามารถจัดการแรงดันไฟฟ้าสูงได้หรือไม่
ตอบ: ได้ แต่การซ้อนชั้นมีความสำคัญ สลับชั้นแรงดันไฟฟ้าสูงด้วยระนาบกราวด์เพื่อป้องกันการเกิดอาร์คข้ามชั้น และใช้ไดอิเล็กทริกที่หนาขึ้น (0.3 มม.+) ระหว่างคู่แรงดันไฟฟ้าสูง
ถาม: จำนวนชั้นมีผลต่อการทนต่อแรงดันไฟฟ้าอย่างไร
ตอบ: ชั้นที่มากขึ้นจะเพิ่มความเสี่ยงของความล้มเหลวข้ามชั้น แต่ระยะห่างและการป้องกันที่เหมาะสมจะช่วยลดสิ่งนี้ PCB 12 ชั้นที่มี PTFE 0.2 มม. ระหว่างชั้นแรงดันไฟฟ้าสูงสามารถจัดการ 5kV ได้อย่างปลอดภัย
ถาม: วิธีที่ถูกที่สุดในการเพิ่มการทนต่อแรงดันไฟฟ้าคืออะไร
ตอบ: สำหรับการออกแบบแรงดันไฟฟ้าต่ำ การเพิ่มความหนาของไดอิเล็กทริก (เช่น 0.2 มม. เทียบกับ 0.1 มม. FR-4) จะเพิ่มต้นทุนเพียงเล็กน้อยในขณะที่เพิ่มความสามารถในการทนทานเป็นสองเท่า
บทสรุป
การทนต่อแรงดันไฟฟ้าของ PCB หลายชั้นคือความสมดุลระหว่างวิทยาศาสตร์วัสดุ ระเบียบวินัยในการออกแบบ และการตระหนักถึงสิ่งแวดล้อม ด้วยการเลือกวัสดุไดอิเล็กทริกที่เหมาะสม การเพิ่มขอบความปลอดภัย และการทดสอบอย่างเข้มงวด วิศวกรสามารถมั่นใจได้ว่าฉนวนระหว่างชั้นจะคงอยู่ได้แม้ในการใช้งานที่ยากที่สุด สำหรับระบบแรงดันไฟฟ้าสูง—ที่ความล้มเหลวไม่ใช่ทางเลือก—แนวทางเชิงรุกนี้ไม่ใช่แค่การวิศวกรรมที่ดีเท่านั้น: มันเป็นสิ่งจำเป็น
ส่งข้อสอบของคุณตรงมาหาเรา
