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9. Mai 2024

Designüberlegungen und Materialauswahl für das Design von Hochspannungs-Leiterplatten

Einführung

Willkommen in der elektrisierenden Welt der Hochspannungs-Leiterplatten, einem Eckpfeiler moderner Elektronik, die alles von Industriemaschinen bis hin zu Haushaltsgeräten mit Strom versorgt. Hochspannungs-Leiterplatten, die für eine deutlich höhere elektrische Energie ausgelegt sind als ihre Niederspannungs-Pendants, sind in Anwendungen von entscheidender Bedeutung, bei denen Leistung und Effizienz von größter Bedeutung sind.

Hochspannungs-Leiterplatten, wie sie beispielsweise in Anlagen für erneuerbare Energien und Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommen, sind für die Stromversorgung von Systemen, die eine umfangreiche Stromverteilung erfordern, von entscheidender Bedeutung. Sie stellen sicher, dass Geräte effizient arbeiten und die erforderlichen Leistungspegel sicher und effektiv bewältigen.

Während wir uns tiefer mit Hochspannungs-PCBs befassen, erkunden wir die anspruchsvollen Materialien, aus denen diese mächtigen Platinen bestehen, und die hochmodernen Designstrategien, die sicherstellen, dass sie in jeder Anwendung sicher und effizient funktionieren. Begleiten Sie uns, wenn wir die Komplexitäten und Innovationen aufdecken, die das Design von Hochspannungs-PCBs ausmachen.

Hochspannungs-Leiterplatten verstehen

Hochspannungs-Leiterplatten verstehen

Was definiert Hochspannungsleiterplatten?

Hochspannungs-PCBs sind spezielle Leiterplatten, die elektrische Spannungen deutlich höher verarbeiten als Standard-PCBs. Normalerweise gilt eine PCB als Hochspannungs-PCB, wenn sie über 500 Volt betrieben wird, aber dieser Grenzwert kann je nach Anwendung und Industriestandards variieren. 

Diese Platinen werden unter Verwendung spezieller Materialien und mit speziellen Designmethoden hergestellt, um hohe Spannungen sicher zu leiten und zu verwalten, ohne dass es zu Leistungseinbußen oder Sicherheitsrisiken kommt.

Spannungsschwellen

Die genaue Spannungsschwelle, ab der eine Leiterplatte als Hochspannung klassifiziert wird, hängt häufig von den spezifischen Anforderungen und Sicherheitsvorschriften der jeweiligen Branche ab. In der Unterhaltungselektronik beispielsweise können die Spannungen zwischen 600 und 1000 Volt liegen, während Leiterplatten mit Spannungen über 2000 Volt in industriellen Anwendungen als Hochspannung gelten. Diese Schwellenwerte sind nicht nur Zahlen; sie erfordern erhebliche Änderungen in der Materialzusammensetzung und dem Strukturdesign der Leiterplatte, um Sicherheit und Funktionalität zu gewährleisten.

Typische Anwendungen

Hochspannungs-Leiterplatten sind für verschiedene Anwendungen von entscheidender Bedeutung, bei denen eine hohe Leistungsabgabe und Spannungsübertragung unerlässlich sind. Dazu gehören:

  • Stromversorgungssysteme: Wird zur Umwandlung und Verwaltung von Hochspannungen in Kraftwerken und erneuerbaren Energiesystemen verwendet.
  • Medizinische Ausrüstung: Unverzichtbar in Geräten wie Röntgengeräten und Computertomographen, die für den Betrieb Hochspannung benötigen.
  • Automobilanwendungen: In Elektrofahrzeugen insbesondere für Stromrichter und Batteriemanagementsysteme, die mit hohen Spannungen zurechtkommen müssen.
  • Industrielle Maschinen: Wird in Hochleistungsgeräten in der Fertigungs- und Verarbeitungsindustrie verwendet, die robuste Energielösungen benötigen.

Bedeutung von Präzision im Design

Das Design von Hochspannungs-Leiterplatten erfordert äußerste Präzision. Jeder Aspekt des Leiterplattendesigns, vom Layout der Leiterbahnen bis zur Platzierung der Komponenten, muss berechnet werden, um Sicherheit und Effizienz zu optimieren. Der richtige Abstand und die richtige Isolierung sind entscheidend, um Lichtbögen zu verhindern – ein häufiges Risiko in Hochspannungsumgebungen. 

Darüber hinaus müssen Entwickler das Wärmemanagement genauer berücksichtigen, da hohe Spannungen erhebliche Hitze erzeugen können, die bei unsachgemäßer Handhabung zu Systemausfällen oder Sicherheitsrisiken führen kann.

Materialauswahl für Hochvolt-Leiterplatten

Materialauswahl für Hochspannungsleiterplatten

Auswahl des richtigen Substrats

Die Auswahl des geeigneten Substratmaterials ist entscheidend für den Erfolg von Hochspannungs-PCB-Designs. Das Material muss hohen Spannungen standhalten, thermische Belastungen bewältigen und strukturelle Integrität bieten. Kritische Materialien wie FR4, Polyimid und PTFE sind beliebte Optionen und bieten in Hochspannungsumgebungen deutliche Vorteile und Herausforderungen.

Wichtige Substratmaterialien

  • FR4: Dies ist das am häufigsten verwendete Substrat bei der Leiterplattenherstellung und ist für seine guten mechanischen Eigenschaften und ausreichende Wärmebeständigkeit bekannt. Die dielektrische Festigkeit von FR4 kann jedoch bei Hochspannungsanwendungen ein begrenzender Faktor sein, insbesondere wenn höhere Spannungen im Spiel sind.
  • Polyimid: Polyimid ist für seine ausgezeichnete thermische Stabilität bekannt und eignet sich für Anwendungen, bei denen es zu starker Wärmeentwicklung kommt. Seine überlegene dielektrische Festigkeit macht es ideal für Hochspannungsumgebungen, in denen ein thermischer Durchschlag ein Problem darstellen könnte.
  • PTFE (Teflon): Aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Isoliereigenschaften wird PTFE häufig in Leiterplatten mit hoher Spannung oder hoher Frequenz verwendet. Aufgrund seiner niedrigen Dielektrizitätskonstante und hohen Durchschlagsfestigkeit ist es ideal für Anwendungen, bei denen ein minimaler Signalverlust erforderlich ist.

Analyse der Materialeigenschaften

  • Durchschlagsfestigkeit: Dies ist eine wichtige Eigenschaft für Hochspannungs-PCB-Materialien, da sie ihre Widerstandsfähigkeit gegen elektrische Durchschläge unter Hochspannungsbelastung bestimmt. Materialien mit höherer Durchschlagsfestigkeit sind besser in der Lage, Spannungsbögen über PCB-Oberflächen zu verhindern.
  • Wärmewiderstand: Hochspannungskomponenten erzeugen oft erhebliche Wärme, daher muss das Substrat dieser Wärme standhalten und sie effektiv ableiten. Der Wärmewiderstand ist entscheidend, um Verformungen, Schmelzen oder Ausfälle der Leiterplatte unter Betriebsbedingungen zu verhindern.
  • Mechanische Stabilität: Hochspannungsumgebungen können physikalisch anspruchsvoll sein. Das Substratmaterial muss seine strukturelle Integrität unter mechanischer Belastung und thermischen Zyklen beibehalten, um die langfristige Zuverlässigkeit der Leiterplatte sicherzustellen.
Designüberlegungen für Hochspannungs-Leiterplatten

Designüberlegungen für Hochspannungs-Leiterplatten

Kritische Designparameter

Beim Entwurf von Leiterplatten für Hochspannungsanwendungen müssen verschiedene kritische Parameter sorgfältig beachtet werden. Dazu gehören Leiterbahnabstand, Kriechstrecke, Luftstrecken, Lagenaufbau, Dicke und Via-Design. Jedes dieser Elemente spielt eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Sicherheit und Funktionalität der Leiterplatte unter Hochspannungsbedingungen.

Leiterbahnabstand, Kriechweg und Luftstrecke

  • Leiterbahnabstand: Der Abstand zwischen benachbarten Leiterbahnen muss ausreichend sein, um Lichtbögen und Kurzschlüsse zu verhindern. Bei Hochspannungsleiterplatten ist im Vergleich zu Standardleiterplatten ein größerer Leiterbahnabstand erforderlich, um die erhöhten Spannungspegel zu bewältigen.
  • Kriech- und Luftstrecken: Kriechweg bezeichnet den kürzesten Weg zwischen zwei leitenden Teilen über die Oberfläche des Isoliermaterials, während Luftweg die kürzeste Distanz durch die Luft zwischen zwei leitenden Teilen ist. Beide Distanzen sind entscheidend, um Lichtbogenfehler zu verhindern, und müssen bei Hochspannungs-Leiterplattendesigns maximiert werden. Die Einhaltung von Industrienormen und -richtlinien, wie sie beispielsweise vom IPC (Institute for Printed Circuits) festgelegt wurden, ist für die Bestimmung dieser Distanzen auf Basis der Betriebsspannung von entscheidender Bedeutung.

Schichtaufbau und Dicke

  • Lagenaufbau: Die Anordnung der Kupferschichten und Isoliermaterialien innerhalb einer Leiterplatte muss strategisch geplant werden. Bei Hochspannungsleiterplatten ist es oft von Vorteil, die Anzahl der Masseflächen zu erhöhen, um die elektrische Isolierung zwischen Hochspannungsschaltkreisen zu verbessern. Dies kann dazu beitragen, potenzielle elektrische Entladungen effektiver abzuleiten.
  • Dicke: Die Gesamtdicke der Leiterplatte kann ihre Fähigkeit beeinflussen, hohen Spannungen standzuhalten. Dickere Isoliermaterialien zwischen den Schichten können die dielektrische Festigkeit verbessern und so das Risiko eines Spannungsdurchschlags durch die Leiterplatte verringern.

Über Design

  • Über Design: Vias werden verwendet, um verschiedene Schichten einer Leiterplatte zu verbinden. Bei Hochspannungsleiterplatten muss das Design der Vias besonders berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass sie nicht zu elektrischen Ausfallstellen werden. Vias sollten robust beschichtet und ausreichend groß sein, um den Strom zu bewältigen und Lichtbögen zu verhindern. Die Verwendung von zeltförmigen Vias oder Via-in-Pad-Designs kann erforderlich sein, um die Abstands- und Isolationsanforderungen effektiv zu erfüllen.
Wärmemanagement in Hochspannungsleiterplatten

Wärmemanagement in Hochspannungsleiterplatten

Wärmemanagement in Hochspannungsdesigns

Ein effektives Wärmemanagement ist bei Hochspannungs-Leiterplatten aufgrund der erheblichen Wärmeentwicklung durch höhere Ströme und Spannungen von entscheidender Bedeutung. Um die Leistung aufrechtzuerhalten, Komponentenausfälle zu verhindern und die Sicherheit zu gewährleisten, ist es entscheidend, sicherzustellen, dass diese Leiterplatten die Wärme effizient ableiten können.

Bedeutung des Wärmemanagements

Hochspannungsvorgänge erzeugen aufgrund der erhöhten Energieumwandlung und potenzieller Ineffizienzen im Schaltkreis naturgemäß mehr Wärme. Wird diese Wärme nicht angemessen verwaltet, kann sie zu erhöhten Temperaturen führen, die die Leistung elektronischer Komponenten beeinträchtigen, die Alterung von Isoliermaterialien beschleunigen und sogar Sicherheitsrisiken wie Überhitzung und Feuer bergen können. Ein effizientes Wärmemanagement trägt dazu bei, optimale Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten und die Lebensdauer von Leiterplatten und ihren Komponenten zu verlängern.

Strategien zur verbesserten Wärmeableitung

  • Verbessertes PCB-Layout: Die Gestaltung des PCB-Layouts zur Optimierung der Wärmeverteilung ist von grundlegender Bedeutung. Dazu gehört die strategische Platzierung wärmeerzeugender Komponenten, um die Wärmelast auf der gesamten Leiterplatte auszugleichen.
  • Verwendung von Thermal Vias: Durch die Implementierung thermischer Vias kann Wärme effektiv von der oberen Schicht auf untere Schichten oder einen Kühlkörper übertragen werden. Diese kupferbeschichteten Löcher in der Leiterplatte leiten Wärme von heißen Komponenten weg und tragen so zu einer effizienteren Wärmeableitung bei.
  • Einbau von Kühlkörpern: Das Anbringen von Kühlkörpern direkt an Hochspannungskomponenten oder Bereichen der Leiterplatte, in denen sich Wärme ansammelt, kann die Wärmeableitung erheblich verbessern. Kühlkörper vergrößern die Oberfläche für die Wärmeübertragung an die Umgebung und kühlen die Komponenten effektiv.

Einfluss der Materialauswahl auf die Wärmeleistung

Die Wahl des Substrats und der leitfähigen Materialien hat erhebliche Auswirkungen auf die Wärmemanagementfähigkeiten von Hochspannungsleiterplatten:

  • Wärmeleitfähigkeit von Materialien: Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit, wie bestimmte Arten von Leiterplatten mit Metallkern oder moderne Substrate auf Keramikbasis, können Wärme effektiver ableiten als Standardmaterialien wie FR4.
  • Wärmeausdehnungskoeffizient: Die Auswahl von Materialien mit ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verringert das Risiko mechanischer Spannungen und möglicher Schäden bei Temperaturschwankungen. Dies ist insbesondere bei Hochspannungsanwendungen wichtig, bei denen Temperaturschwankungen typisch sind.
Gewährleistung von Zuverlässigkeit und Sicherheit

Gewährleistung von Zuverlässigkeit und Sicherheit

Compliance und Tests

Um die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Hochspannungsleiterplatten zu gewährleisten, sind nicht nur sorgfältiges Design und eine sorgfältige Materialauswahl erforderlich. Auch die strikte Einhaltung von Industrienormen und gründliche Tests sind erforderlich. 

Die Einhaltung dieser Normen und Tests ist von entscheidender Bedeutung, um die mit dem Hochspannungsbetrieb verbundenen Risiken wie elektrische Brände, Komponentenausfälle und Systemausfälle zu verringern.

Überblick über Standards und Compliance-Anforderungen

Hochspannungsleiterplatten unterliegen einer Reihe von Normen, die ihr Design, ihre Herstellung und ihre Leistung regeln:

  • IPC-Normen: Das Institute for Printed Circuits (IPC) bietet Richtlinien, die alles von Design und Materialauswahl bis hin zur Endproduktprüfung abdecken. IPC-Standards wie IPC-2221B bieten spezifische Richtlinien für Abstände, Kriechstrecken und Materialeigenschaften von Hochspannungs-Leiterplatten.
  • UL-Zertifizierungen: Underwriters Laboratories (UL) bietet Zertifizierungen an, die die Sicherheit von Leiterplatten bewerten, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Die UL-Zertifizierung stellt sicher, dass die Platinen unter normalen und Fehlerbedingungen strenge Sicherheitskriterien für Hochspannungs-Leiterplatten erfüllen. UL 796 ist ein Standard für Leiterplatten, der Eigenschaften wie Entflammbarkeit und elektrische Lebensdauer bewertet.

Testverfahren zur Gewährleistung von Betriebs- und Sicherheitsstandards

Das Testen ist ein kritischer Bestandteil des PCB-Entwicklungsprozesses, insbesondere bei Hochspannungsanwendungen, bei denen die Folgen eines Ausfalls erheblich sind:

  • Elektrische Prüfung: Hierzu gehören Durchgangsprüfungen und Tests des Isolationswiderstands, um sicherzustellen, dass im Stromkreis keine Kurzschlüsse oder Unterbrechungen vorliegen und die Isolierung ausreichend ist, um hohen Spannungen standzuhalten.
  • Hochspannungsprüfung (Hi-Pot): Bei einem Hi-Pot-Test wird eine Hochspannung zwischen leitenden Teilen und der Erde oder zwischen verschiedenen leitenden Teilen angelegt, um sicherzustellen, dass die Isolierung nicht zusammenbricht und die Leiterplatte ihre maximale Betriebsspannung sicher handhaben kann.
  • Thermische Prüfung: Da Hochspannungsleiterplatten einer erheblichen Erwärmung ausgesetzt sind, wird durch thermische Tests sichergestellt, dass die Platine und ihre Komponenten bei allen erwarteten Temperaturen zuverlässig funktionieren und dass die Wärmeableitungsmechanismen wirksam sind.
  • Umwelttests: Dabei werden die Leiterplatten verschiedenen Umgebungsbedingungen (Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen, Vibrationen usw.) ausgesetzt, um Stabilität und Funktionalität unter den spezifischen Bedingungen sicherzustellen, denen sie im tatsächlichen Einsatz ausgesetzt sind.

Abschluss

Der Entwurf und die Produktion von Hochspannungsleiterplatten stellen eine kritische Schnittstelle zwischen Technologie und Sicherheit dar und unterstreichen die Bedeutung sorgfältiger Entwurfsüberlegungen und einer strategischen Materialauswahl.

In diesem Handbuch haben wir die vielfältigen Aspekte von Hochspannungsleiterplatten untersucht, von der Auswahl der richtigen Substrate bis hin zur Gewährleistung umfassender Konformität und strenger Tests.

Dies richtet sich an alle, die fachkundige Beratung oder eine Partnerschaft für Hochspannungs-PCB-Projekte suchen.

Nehmen Sie gerne Kontakt mit uns auf. Unser Team verfügt über das nötige Fachwissen und die nötigen Ressourcen, um Sie bei der Bewältigung dieser komplexen Anforderungen zu unterstützen, den Erfolg Ihrer Projekte sicherzustellen und neue Maßstäbe in puncto Innovation und Sicherheit zu setzen. 

Artikel geschrieben von Alice Lee

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