UV硬化型PCBの高電圧沿面距離とトラッキング設計

UV硬化型PCBの高電圧沿面距離とトラッキング設計

抽象

UV硬化電源のトリガー、バラスト、フィルタ段はFR-4基板上で5～20kVの電圧で動作し、これらのノード間の基板表面は200～450nmの光照射下で化学変化を起こします。物理的なギャップは固定されていますが、電気的なギャップは固定されていません。この記事では、表面抵抗、ジュール熱、トラッキング時間計算、4つのフィールド故障モード、ディレーティングとスロットのルール、および最初のフラッシュオーバーが発生する前に警告を発する漏洩電流モニタについて説明します。

はじめに

UV硬化装置の高電圧部は5～20kVで動作し、その絶縁は沿面距離に依存します。沿面距離とは、電位の異なる2つの導体間の基板表面に沿った最短経路のことです。IEC 60664およびIPC-2221は、汚染度と材料グループごとに最小沿面距離を規定しています。

これらの表は、通常の工業用空気を前提としています。硬化装置内部では、同じ基板が200～450nmの光子、オゾン、熱、洗浄溶剤にさらされます。FR-4エポキシ樹脂は酸化し、表面は極性および親水性に変化し、空気中の有機物が光重合して膜を形成し、その膜は湿度によって導電性になります。

物理的な距離は変わらない。しかし、実際に電圧を遮断する距離は変化する。この違いが、再現が最も困難な故障の原因となっている。工場で耐電圧試験と部分放電試験に合格した基板が、形状も部品の故障もないにもかかわらず、1年後にフラッシュオーバーを起こすのだ。

この記事では、表面伝導とトラッキングの計算方法、4つのフィールド故障モード、ディレーティングとスロットのルール、そしてクリープ表面を測定可能な傾向に変換する漏洩モニターについて説明します。

2. コアメカニズム

2.1 表面漏洩抵抗

2つの導体の間に挟まれた汚染された膜は抵抗器として振る舞い、その抵抗値は膜の形状と積層体の表面抵抗率によって決まる。

R_s = ρ_s · d / w

ここで、R_s は表面漏洩抵抗、ρ_s は劣化ラミネートの表面抵抗率、d は導体間の沿面長、w は導電膜の幅です。紫外線照射と汚染により、ρ_s は 1 ～ 3 年で 1 ～ 30 桁低下するため、新品時に 50 MΩ であったフィルムは、保証期間終了時には 5 MΩ 以下になります。

2.2 ジュール加熱とトラッキング条件

そのフィルムの局所的な狭窄部を通る漏洩電流は、数平方ミリメートルの積層板内で電力を消費する。

P = I² · R_s

ここで、P は消費電力、I は漏洩電流、R_s は表面漏洩抵抗です。§2.1 の 50 MΩ フィルムに 10 kV を印加すると、漏洩電流は 200 µA となり、フィルムは 2 W を消費します。数平方ミリメートルに詰め込まれると、表面温度がエポキシの 300 °C 炭化温度を超え、炭化物は導電性カーボンになります。

2.3 沿面距離に対する追跡時間

清浄な表面からカーボンブリッジが形成されるまでの時間は、沿面距離の二乗に比例し、印加電圧の二乗に反比例する。

t_track = K · d² / (V² · σ_s)

ここで、t_track はカーボン トラックが発生するまでの時間、K はラミネートと仕上げに関する経験定数、d は沿面距離、V は印加電圧、σ_s は寿命末期の表面導電率です。沿面距離を 2 倍にすると、時間は 4 倍になります。沿面距離 25 mm の 10 kV ノードは、現場で 18 か月でトラックが発生しました。同じ表面は、沿面距離 50 mm で 6 年、65 mm で 10 年かかります。

2.4 三点接合放電およびモニター応答

コンデンサ本体、はんだフィレット、基板表面が接する箇所に、2つ目の経路が開きます。部分放電開始レベルを超えると、放電によって積層板と外側のコーティングが侵食され、ピットに電界が集中して電極に到達します。この現象を監視する漏洩電流モニタには、独自の時定数が必要です。

τ = R · C

ここで、τはモニタ時定数、Rは直列モニタ抵抗、Cはノード容量です。10 MΩのモニタと4700 pFのノードの場合、定数は47 msとなるため、ログ値は0.25秒以内に安定します。

図1 — 10 kVでは、裸のFR-4ノードは18ヶ月で25 mmまでトラッキングし、10年間で65 mmまでトラッキングする必要があるのに対し、コーティングされたスロット付きボードは10年間で37 mm付近までトラッキングします。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：形状は変わらないのに、利益率が低下する

基板は工場出荷時の耐電圧試験および部分放電試験に合格しており、沿面距離の形状も変化していません。しかし、1年間の使用後、漏洩電流が3倍になり、再現性のない故障で機器が停止するようになりました。部品の故障はなく、表面が損傷しています。この故障は、蓄積された紫外線照射量に依存するため、再現が困難です。

問題点２：粉塵が光重合して導電性フィルムになる

印刷工場やコーティング工場では、空気中の有機物が基板上に付着し、紫外線によって重合して膜を形成します。この膜は湿度によって導電性を持つようになります。見た目はきれいな基板でも、トリガーノード間の抵抗値は50MΩ程度であり、この膜は高倍率でなければ見えません。

問題点３：コンデンサの端子が弱点となる

コンデンサ本体は、クリーンな屋内環境での使用を想定して設計されています。劣化基板に取り付けられると、その端子間のギャップがレイアウト上の最短経路となり、基板がストレスの原因となった一方で、電界によるリターンはコンデンサの名称を示します。

問題点4：溶剤洗浄は損傷を加速させる

保守担当者は、イソプロピルアルコールと専用溶剤を用いて基板を洗浄する。溶剤は可塑剤を抽出するが、残留物が残る。そして、その残留物がランプ照射下で光架橋を起こす。この洗浄工程は、本来除去しようとしていた劣化をかえって加速させてしまう。

4. 設計手順

戦略1：紫外線使用時の沿面距離表の定格を下げる

汚染度3を想定し、UV係数を加算します。ランプ放射を受ける基板の場合、電圧クラスに応じたIEC 60664の最小沿面距離を1.5～2倍します。10kVの場合、表の値である25～30mmではなく、50～60mmの表面経路長となります。

戦略2：高電圧ノード間のルーティングされたスロットを切断する

トリガーノード間に深さ5mmのスロットを設けることで、表面経路をほぼコストなしで2倍にすることができます。ソルダーマスクによる分離に頼るのではなく、基板外形にルーティングされた溝を指定してください。ソルダーマスクはリーク電流を運ぶフィルムを収集してしまうためです。

戦略3：本体が伸びやすいパッケージを選ぶ

ドロップダウンリストから N4700 ディスクまたは HVCT8G ねじ端子部は、その本体の高さと表面処理によって、コンデンサ上部から基板表面までの経路が確保されるものとする。10kV級のコンデンサの場合、コンデンサ本体の沿面距離は最低20mmとする。

戦略4：高電圧領域をコンフォーマルコーティングする

組み立て後、その領域にUV安定性のある高純度シリコーンコンフォーマルコーティングを施します。このコーティングにより表面抵抗が100倍に上昇し、粉塵の侵入を防ぎます。シリコーンはランプの下で黄変したりひび割れたりしないため、ここで適切な化学物質です。 フィルムコンデンサ ステージの他の場所では、ボード表面を保護するものは何も提供されていない。

戦略5：漏洩電流を計測する

10～100 MΩの抵抗を追加する サンプリング抵抗器 トリガー電源における漏洩傾向を記録します。6か月間で漏洩量が倍増することは、表面劣化の最も初期の兆候であり、最初のフラッシュオーバーが発生する前に再コーティングまたは基板の交換を行うための時間的猶予を与えます。

戦略6：UV劣化試験により表面を評価する

動作磁束の10倍の電圧を印加した状態で500時間、経年劣化試験用クーポンを試験し、毎週表面抵抗率を測定する。経年劣化後も表面抵抗率が100 GΩ以上である場合にのみ、ラミネート材を受け入れる。 厚膜抵抗器 分割チェーンでは同じ表面が見えるので、同じクーポンで評価します。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	25°C
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. 紫外線照射基板用HVCコンデンサ

コンデンサの沿面マージンを向上させるか損なうかは、本体形状、表面化学組成、損失という3つの特性によって決まります。HVCは、これら3つの特性すべてを満たすN4700コンデンサを製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• ディスク型および441ネジ型のボディは、端子から端子まで長い表面経路を持つため、ボディは基板の沿面距離を吸収するのではなく、むしろ沿面距離を増加させる。
• 緻密な釉薬表面を持つN4700（T3M）チタン酸ストロンチウムは、吸湿性がごくわずかであるため、湿度の高いキャビネット内でも本体表面の抵抗率を高く保つことができます。
• 1 kHz における tanδ が 0.1% 以下であれば、本体の温度が下がり、局所的な積層材が 300 °C の炭化温度に達することはありません。
• 定格電圧の1.2倍で5 pC以下の部分放電（PD）は、通常コンデンサのフットプリントに最初のピットを生じさせる三重接合部の侵食を解消します。
• ±30 ppm/°Cの精度と1 kVから100 kVまでの全電圧範囲において、トリガー、バラスト、フィルタの各ステージ全体で同じ沿面距離と空間距離のレイアウトを維持しています。
• 現場検証: HVC 40 kV / 441 ネジ式コンデンサが高電圧現場サービスプログラムで一流ブランドの部品と交換され、同じ構造で電気的パラメータが一致しました。 ビシェイ HVCCおよびKEMETのラジアルリード線シリーズ。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、マッチングセットは6～10週間で出荷されます。HVCアプリケーションエンジニアリングチームは、基板のスタック構成、電圧ノード、およびサイトの保守手順を確認します。

ノード電圧、基板上の紫外線フラックス、沿面図、および洗浄方法をお送りください。HVCは、沿面図、沿面形状が一致するコンデンサパッケージ、および紫外線劣化試験用のPD認証済みサンプルを2週間以内に返送します。

6。 よくある質問

Q1：なぜ取締役会は当初の想定をクリアしたにもかかわらず、1年後に失敗するのでしょうか？

耐圧試験は、製造時に使用された基板を測定するため、表面抵抗率は紫外線に1～3年さらされると1桁から3桁低下します。そのため、10kVでの漏洩電流は数マイクロアンペアから数百マイクロアンペアに増加します。工場での耐圧試験では、この傾向を捉えることはできません。

Q2：UVサービスにはどれくらいの追加の沿面距離が必要ですか？

IEC 60664の表の値に、紫外線係数を考慮した汚染度3の場合の1.5～2倍を乗じます。10 kVでは、表の値である25～30 mmが表面経路長50～60 mmとなり、追跡時間はその距離の2乗に比例して増加します。

Q3：5mmスロットで何が買えるのですか？

これにより、ギャップを横切る表面経路が2倍になるため、配線にかかる時間が約4倍に増加します。また、スロットによってリーク電流を流すフィルムが遮断されるため、余分なソルダーマスククリアランスよりもルーティングされた溝の方が効果的です。

Q4：漏水と部分放電、どちらの警告が先に発生しますか？

漏洩。トリガー電源に10～100MΩのサンプリング抵抗器を組み込むことで、最初の放電の数ヶ月前から傾向を記録し、6ヶ月間で2倍になった場合は、その領域を再コーティングする十分な証拠となる。

Q5：コンデンサの沿面距離はどのくらいにすべきですか？

10kVクラスのコンデンサの場合、コンデンサ本体の沿面距離は最低でも20mmにしてください。この値以下になると、基板表面の経年劣化に伴い、端子間のギャップがレイアウト上の最短経路となってしまいます。

Q6：コンフォーマルコーティングは沿面余裕の代わりになりますか？

いいえ。コーティングによって表面抵抗が約100倍に上昇し、粉塵の侵入も防ぎますが、その下には依然として一定の距離が必要です。まず距離を設計してから、表面にコーティングを施してください。

7。 リファレンス

1. E. クッフェル、WS ザングル、J. クッフェル、 高電圧工学の基礎第2版​​、ニューネス、2000年。
2. N. モハン、TM アンダーランド、WP ロビンス、 パワーエレクトロニクス：コンバータ、応用、設計、第3版、Wiley、2003年。
3. MIL-HDBK-217F 通知 2、 電子機器の信頼性予測、1995。
4. IEC 60384-1:2018、 電子機器用固定コンデンサ ― 第1部：一般仕様.
5. IEC 60664-1:2020、 低電圧電源システム内の機器の絶縁協調 - パート1：原理、要件および試験第3版。ジュネーブ：IEC、2020年。
6. Y. Gao、X. Liang、W. Bao、C. Wu、S. Li、 現場における脆性破壊複合絶縁体の故障解析：X線光電子分光分析による特性評価、High Voltage、vol. 4、no. 2、pp. 89-96、2019。https://doi.org/10.1049/hve.2018.5084。
7. V.ベリャエフ、 真空中における絶縁体の表面フラッシュオーバーのモデル、Proceedings ISDEIV. 18th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum、pp. 151-154、1998年。https://doi.org/10.1109/deiv.1998.740596。
8. US 8,570,711、 多層セラミック電子部品 (1～5 kV MLCC のアーク放電抑制)、サムスン電機株式会社、2013 年特許取得、https://www.freepatentsonline.com/8570711.html。
9. MIL-PRF-49470D、 コンデンサ、固定式、セラミック誘電体、スイッチング電源（汎用および温度安定型）、標準信頼性および高信頼性、一般仕様ワシントンDC：米国国防総省、2017年。
10. HVCアプリケーションエンジニアリングチーム、 高電圧セラミックコンデンサ 技術リソース、https://www.hv-caps.com