2025-07-24
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औद्योगिक मोटर ड्राइव से लेकर चिकित्सा इमेजिंग उपकरण तक हर चीज में उपयोग किए जाने वाले बहु-परत पीसीबी में, परत-परत इन्सुलेशन केवल एक डिजाइन विवरण नहीं हैः यह सुरक्षा और विश्वसनीयता अनिवार्य है।ये बोर्ड तांबे और dielectric सामग्री के 4 ¢ 40+ परतों ढेरएक एकल इन्सुलेशन विफलता आर्किंग, शॉर्ट सर्किट, या यहां तक कि आग का कारण बन सकती है। इंजीनियरों के लिए, एक एकल इन्सुलेशन विफलता, एक ही बार में, एक ही बार में, एक ही बार में, एक ही बार में, एक ही बार में, एक ही बार में, एक ही बार में, एक ही बार में, एक ही बार में।सामग्री चयन के माध्यम से वोल्टेज प्रतिरोध क्षमता को अनुकूलित करने के तरीके को समझना, डिजाइन विकल्प और परीक्षण क्षेत्र में विफलताओं को 60% तक कम कर सकते हैं और आईपीसी-2221 और यूएल 94 जैसे मानकों के अनुपालन को सुनिश्चित कर सकते हैं।यहाँ है कि कैसे डिजाइन करने के लिए बहु-परत पीसीबी है कि सुरक्षित रूप से उनके इच्छित वोल्टेज संभाल.
महत्वपूर्ण बातें
a.स्तर-पर-स्तर वोल्टेज प्रतिरोध डाईलेक्ट्रिक सामग्री, इन्सुलेशन मोटाई और पर्यावरण कारकों (तापमान, आर्द्रता) पर निर्भर करता है।
b.FR-4 आधारित पीसीबी कम वोल्टेज (≤500V) अनुप्रयोगों के लिए काम करते हैं, जबकि उच्च वोल्टेज प्रणालियों के लिए PTFE या सिरेमिक से भरे हुए टुकड़े टुकड़े जैसी विशेष सामग्री की आवश्यकता होती है।
c.डिजाइन में बदलाव ढ़ोंग के निशान, समान अंतर और किनारे की सफाई ढ़ोंग के उच्च वोल्टेज पीसीबी में कोरोना डिस्चार्ज के जोखिम को कम करते हैं।
d.IPC-TM-650 मानकों के अनुसार परीक्षण (जैसे, डायलेक्ट्रिक ब्रेकडाउन वोल्टेज) कठोर परिस्थितियों में विश्वसनीयता सुनिश्चित करता है।
क्यों परत-परत वोल्टेज पदार्थों का सामना करते हैं
बहु-परत पीसीबी बिजली, जमीन और संकेत परतों को अलग करता है, लेकिन आसन्न परतें अक्सर अलग-अलग क्षमताओं पर काम करती हैं। उदाहरण के लिएः
a.एक 3-चरण औद्योगिक नियंत्रक में बिजली परतों के बीच 480V AC हो सकता है।
b.एक EV बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS) में उच्च वोल्टेज और सिग्नल परतों के बीच 600V+ होता है।
c.एक चिकित्सा डिफिब्रिलेटर ऊर्जा भंडारण और नियंत्रण परतों के बीच 2kV का उपयोग करता है।
यदि इन्सुलेशन विफल हो जाता है, तो परतों के बीच वर्तमान आर्क, पिघलने के निशान, क्षतिग्रस्त घटकों, या सुरक्षा खतरों का निर्माण। औद्योगिक सेटिंग्स में ऐसी विफलताओं की औसत लागत $ 20,000 प्रति घटना (डाउनटाइम और मरम्मत सहित), आईईईई द्वारा किए गए एक सर्वेक्षण के अनुसार।
बहुस्तरीय पीसीबी में वोल्टेज प्रतिरोध को प्रभावित करने वाले कारक
तीन मुख्य कारक एक पीसीबी की परत-से-परत वोल्टेज का विरोध करने की क्षमता निर्धारित करते हैंः
1विद्युतरोधक सामग्री के गुण
तांबे की परतों के बीच की इन्सुलेशन परत (डिलेक्ट्रिक) रक्षा की पहली पंक्ति है। प्रमुख मापकों में शामिल हैंः
a.डिलेक्ट्रिक शक्तिः अधिकतम वोल्टेज एक सामग्री आर्किंग से पहले सहन कर सकते हैं (केवी / मिमी में मापा) ।
b.वॉल्यूम प्रतिरोधः इन्सुलेशन प्रतिरोध का एक उपाय (अधिक = बेहतर, Ω·cm में मापा जाता है) ।
c.तापमान स्थिरताः उच्च तापमान पर इन्सुलेशन प्रदर्शन बिगड़ जाता है; उच्च ग्लास संक्रमण (Tg) वाली सामग्री ताकत बनाए रखती है।
| डायलेक्ट्रिक सामग्री | डायलेक्ट्रिक शक्ति (kV/mm) | वॉल्यूम प्रतिरोध (Ω·cm) | अधिकतम परिचालन तापमान | वोल्टेज रेंज के लिए सर्वश्रेष्ठ |
|---|---|---|---|---|
| मानक FR-4 | 15 ¢20 | 1014 ₹1015 | 130°C | ≤500V (उपभोक्ता, कम शक्ति) |
| उच्च-Tg FR-4 | 18 ¢ 22 | 1015 ₹1016 | 170°C+ | 500V2kV (औद्योगिक नियंत्रण) |
| पीटीएफई (टेफ्लॉन) | 25 ¢ 30 | १०१६१०१७ | 260°C | 2kV10kV (ऊर्जा आपूर्ति) |
| सिरेमिक से भरे हुए टुकड़े टुकड़े | 30 ¢ 40 | १०१७१०१८ | 200°C+ | 10kV+ (एचवी ट्रांसफार्मर, रडार) |
2. इन्सुलेशन मोटाई
मोटी डाईलेक्ट्रिक परतें वोल्टेज का सामना करने की क्षमता बढ़ाती हैं, लेकिन इसके साथ समझौता होता हैः
a. 0.2 मिमी FR-4 परत ~3kV का सामना करती है; 0.4 मिमी तक मोटाई दोगुनी करने से ~6kV का सामना होता है (ज्यादातर सामग्रियों के लिए रैखिक संबंध) ।
b.हालांकि, मोटी परतें पीसीबी वजन को बढ़ाती हैं और उच्च गति डिजाइनों (जैसे, 5 जी) में सिग्नल अखंडता को कम करती हैं।
उच्च वोल्टेज पीसीबी के लिए, इंजीनियरों का उपयोग करते हैं सुरक्षा मार्जिनः ऑपरेटिंग वोल्टेज के 2 3x के लिए डिजाइन। उदाहरण के लिए, 1kV प्रणाली को वोल्टेज स्पाइक्स को ध्यान में रखने के लिए 2 3kV के लिए नामित इन्सुलेशन का उपयोग करना चाहिए।
3पर्यावरणीय तनाव
वास्तविक दुनिया की स्थितियां समय के साथ इन्सुलेशन को खराब कर देती हैं:
a.तापमानः 25°C से ऊपर प्रत्येक 10°C वृद्धि से विद्युतरोधक शक्ति 5~8% कम हो जाती है (उदाहरण के लिए, FR-4 100°C पर अपनी कमरे के तापमान की शक्ति का 30% खो देता है) ।
b. आर्द्रताः नमी अवशोषण (अनकोटेड पीसीबी में आम) प्रतिरोधकता को कम करता है। 90% आर्द्रता में 1 मिमी एफआर-4 परत 50% कम प्रतिरोध वोल्टेज देख सकती है।
c.संदूषणः धूल, तेल या प्रवाह अवशेष प्रवाहक पथ बनाते हैं। औद्योगिक पीसीबी अक्सर सील इन्सुलेशन के लिए अनुरूप कोटिंग (जैसे, सिलिकॉन) का उपयोग करते हैं।
वोल्टेज बढ़ाने के लिए डिजाइन रणनीतियाँ
उच्च वोल्टेज के लिए बहु-परत पीसीबी के निर्माण के लिए सक्रिय डिजाइन विकल्पों की आवश्यकता होती हैः
1वोल्टेज आवश्यकताओं के अनुरूप सामग्री
कम वोल्टेज (≤500V): 0.1~0.2 मिमी की डाईलेक्ट्रिक परतों के साथ मानक FR-4 उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स (जैसे, स्मार्ट टीवी, राउटर) के लिए काम करता है।
मध्यम वोल्टेज (500V5kV): उच्च-Tg FR-4 या पॉलीमाइड (PI) 0.2~0.5mm परतों के साथ औद्योगिक सेंसर और EV चार्जिंग पोर्ट के लिए उपयुक्त है।
उच्च वोल्टेज (5kV+): पीटीएफई या सिरेमिक से भरे हुए लेमिनेट (0.5~2 मिमी परतें) पावर इन्वर्टर और मेडिकल डिफिब्रिलेटर के लिए महत्वपूर्ण हैं।
2. कोरोना डिस्चार्ज के जोखिम को कम करना
उच्च वोल्टेज विद्युत क्षेत्र तेज किनारों पर केंद्रित होते हैं (उदाहरण के लिए, 90 डिग्री के निशान के कोनों या उजागर तांबे), कोरोना डिस्चार्ज उत्पन्न करते हैं। छोटी चिंगारी जो समय के साथ इन्सुलेशन को कम करती हैं। फिक्स में शामिल हैंः
गोल निशान: विद्युत क्षेत्र को वितरित करने के लिए 90° कोणों के बजाय 45° या घुमावदार कोनों का प्रयोग करें।
अधिक दूरीः उच्च वोल्टेज के निशानों को निम्न वोल्टेज के निशानों की तुलना में 3 गुना दूर रखें (उदाहरण के लिए, 1kV के लिए 3 मिमी बनाम 1 मिमी) ।
ग्राउंड प्लेन: विद्युत क्षेत्रों को रोकने के लिए उच्च- और निम्न-वोल्टेज परतों के बीच एक ग्राउंड ′′Shield′′ परत जोड़ें।
3. किनारे की सफाई और परत स्टैकिंग
किनारे की दूरीः पीसीबी किनारे से 2-5 मिमी पहले तांबे की परतों को समाप्त करना सुनिश्चित करें ताकि उजागर परतों के बीच आर्किंग को रोका जा सके।
सममित स्टैकिंग: संतुलन परतों की गिनती (जैसे, 4 परतेंः सिग्नल/ग्राउंड/पावर/सिग्नल) विकृति से बचने के लिए, जो डायलेक्ट्रिक परतों को दरार दे सकती है।
ओवरलैपिंग वायस से बचें: इन्सुलेशन के माध्यम से प्रवाहकीय मार्गों को रोकने के लिए परतों के बीच स्टैगर वायस।
परीक्षण और सत्यापनः विश्वसनीयता सुनिश्चित करना
बिना कठोर परीक्षण के कोई भी डिजाइन पूरा नहीं होता:
1डायलेक्ट्रिक टूटने का परीक्षण
विधिः जब तक आर्किंग नहीं होती तब तक परतों के बीच बढ़ते एसी/डीसी वोल्टेज को लागू किया जाता है; ब्रेकडाउन वोल्टेज दर्ज किया जाता है।
मानक: IPC-TM-650 2.5.6.2 परीक्षण स्थितियों को निर्दिष्ट करता है (उदाहरण के लिए, 50 हर्ट्ज एसी, 1 केवी/सेकंड रैंप दर) ।
पास मानदंडः ब्रेकडाउन वोल्टेज ऑपरेटिंग वोल्टेज के 2 गुना से अधिक होना चाहिए (उदाहरण के लिए, 1kV प्रणाली के लिए 2kV) ।
2आंशिक डिस्चार्ज (पीडी) परीक्षण
उद्देश्य: भविष्य में विफलता का संकेत देने वाले छोटे, गैर-विनाशकारी डिस्चार्ज (कोरोना) का पता लगाता है।
अनुप्रयोगः उच्च वोल्टेज पीसीबी (5kV+) के लिए महत्वपूर्ण; पीडी स्तर >10pC इन्सुलेशन कमजोरियों का संकेत देते हैं।
3पर्यावरण परीक्षण
थर्मल साइक्लिंगः उम्र बढ़ने का अनुकरण करने के लिए 1000+ चक्रों के लिए -40°C से 125°C पर परीक्षण करें।
आर्द्रता परीक्षणः आर्द्रता प्रतिरोध की जांच के लिए 1000 घंटों के लिए 85°C/85% आरएच।
वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग और परिणाम
a.औद्योगिक इन्वर्टर: 0.5 मिमी पीटीएफई परतों (रेटेड 15kV) का उपयोग करने वाले 3kV मोटर ड्राइव ने FR-4 डिजाइनों की तुलना में 70% तक क्षेत्र की विफलताओं को कम कर दिया।
ईवी चार्जिंग स्टेशनः उच्च-टीजी एफआर-4 (0.3 मिमी परतें) और अनुरूप कोटिंग के साथ 600 वी सिस्टम 5,000 से अधिक चार्जिंग चक्रों में 100% विश्वसनीयता बनाए रखते हैं।
c.मेडिकल इमेजिंगः 2kV एक्स-रे मशीनों का उपयोग कर सिरेमिक से भरे लैमिनेट (1 मिमी परतें) ने IEC 60601-1 सुरक्षा मानकों को पारित किया, जिसमें 3kV पर कोई पीडी का पता नहीं चला।
सामान्य प्रश्न
प्रश्न: क्या 40+ परतों वाले बहु-परत पीसीबी उच्च वोल्टेज को संभाल सकते हैं?
उत्तर: हां, लेकिन परतों को ढेर करना महत्वपूर्ण है। क्रॉस-लेयर आर्किंग को रोकने के लिए उच्च-वोल्टेज परतों को ग्राउंड प्लेन के साथ वैकल्पिक करें, और उच्च-वोल्टेज जोड़े के बीच मोटे डाईलेक्ट्रिक (0.3 मिमी +) का उपयोग करें।
प्रश्न: परतों की संख्या वोल्टेज प्रतिरोध को कैसे प्रभावित करती है?
उत्तरः अधिक परतें क्रॉस-लेयर विफलताओं के जोखिम को बढ़ाती हैं, लेकिन उचित दूरी और परिरक्षण इससे राहत मिलती है। उच्च वोल्टेज परतों के बीच 0.2 मिमी पीटीएफई के साथ 12 परतों का पीसीबी 5kV को सुरक्षित रूप से संभाल सकता है।
प्रश्न: वोल्टेज प्रतिरोध बढ़ाने का सबसे सस्ता तरीका क्या है?
उत्तरः निम्न वोल्टेज डिजाइनों के लिए, डायलेक्ट्रिक मोटाई (जैसे, 0.2 मिमी बनाम 0.1 मिमी एफआर-4) को बढ़ाना प्रतिरोध क्षमता को दोगुना करते हुए न्यूनतम लागत जोड़ता है।
निष्कर्ष
बहु-परत पीसीबी वोल्टेज प्रतिरोध सामग्री विज्ञान, डिजाइन अनुशासन, और पर्यावरण जागरूकता का एक संतुलन है।और सख्ती से परीक्षण करते हैं, इंजीनियर सबसे कठिन अनुप्रयोगों में भी परत-से-परत इन्सुलेशन को बनाए रख सकते हैं।उच्च वोल्टेज प्रणालियों के लिए, जहां विफलता एक विकल्प नहीं है, यह सक्रिय दृष्टिकोण केवल अच्छा इंजीनियरिंग नहीं हैयह आवश्यक है।
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