Conseils relatifs à la conception de PCB haute tension : Matériaux pour PCB haute tension

Blueprint of a knitting logo.

En plus de concevoir du matériel électrique et de courir pour gérer le stress, je suis un passionné de tricot. Ma grand-mère me l'a enseigné quand j'étais à l'école primaire, et je l'ai enseigné à une douzaine de personnes tout au long de ma vie. Avant de pouvoir passer à la partie amusante du tricotage, vous devez choisir un fil. Est-ce destiné à un nouveau-né ? Ensuite, je veux que ce soit doux, mais aussi lavable en machine pour que la maman puisse l'utiliser sans se soucier de le laver à la main. Est-ce important si ça démange ? Et si quelqu'un était allergique à la laine ? Doit-t-on le draper ou garder sa forme ?

Je dois trier un nombre surprenant de paramètres avant de pouvoir commencer à tricoter, si non je devrai tout recommencer à zéro lorsque les choses ne se passe pas bien. Il en va de même lorsque vous sélectionnez les matériaux pour un PCB. Au début de votre carrière de concepteur de PCB, vous n'avez sûrement pas toujours respecté les spécifications, et à moins que ce ne soit pour un projet spécialisé, cela s'est probablement bien passé. Cependant, une fois que vous avez atteint le niveau de la haute tension ou d'autres applications de la niche PCB, vous devez commencer à prendre en considération les exigences supplémentaires en matière de conception.

Choisir un matériau de PCB approprié

La base de votre PCB est la carte, c'est donc la première spécification de matériau que vous devriez considérer. Vous devez vous assurer que le matériau est adapté aux exigences de performance, mais aussi à l'environnement d'utilisation, car cela aura un impact important sur le vieillissement du matériau des cartes de circuit imprimé.

Pour une conception de PCB haute tension, vous aurez besoin d'une carte spécialement conçue pour supporter une surtension, ainsi que des conditions de fonctionnement normales en haute tension. Il y a quelques options de matériaux que vous devez considérer :

  • Stratifié FR4  : le FR4 se caractérise par une très forte rupture diélectrique. Cependant, il est plus poreux que l'époxy et le polyimide BT, ce qui facilite la contamination du panneau. Il présente également une structure de bord faible, et à mesure que le bord se fissure, la valeur diélectrique diminue. Le vieillissement est un problème plausible, en particulier pour l'électronique proche du bord. Le FR4 ne dispose pas d'une capacité de récupération ou d'une protection contre la carbonisation qui se produit lors des surtensions.

  • Epoxy BT : résine thermodurcissable, l'époxy BT possède des parois latérales solides et convient mieux aux applications ayant des bobines planes et circuits moyenne tension.

  • Isola, stratifiés haute tension : il existe plusieurs types de stratifiés haute tension, Isola est l'un des plus connus, il éteint les arcs électriques et laisse une couche de base non conductrice. Bien qu'il s'agisse là d'un avantage de performance incroyable dans les applications à haute tension, il est important de comprendre les restrictions de conception avant de commencer. Ces stratifiés sont généralement très coûteux, et ne permettent que  de produire des panneaux simple face ou des panneaux très simples à double face.

Lorsque vous commencez à discuter de la production, demandez les fiches techniques de toutes vos options au fabricant et assurez-vous que les performances correspondent à vos exigences. De plus, ne mélangez pas différents isolateurs sur votre carte. L'inadéquation des propriétés des matériaux peut causer des problèmes de fabrication et de performance par la suite.

Bottom side of an empty PCB.

N'utilisez pas différents isolateurs sur les couches de votre PCB. 

Vérifier le contenu du verre et de la résine

Si la teneur en résine et le style de verre utilisés dans la carte de circuit imprimé ne figurent pas dans les fiches techniques ou les guides de fabrication que vous recevez, demandez-les spécifiquement. Dans un PCB haute tension, il est important d'avoir une teneur élevée en résine pour minimiser les vides entre les couches de stratifié et pour modifier le diélectrique effectif de votre carte. Vous avez aussi besoin d’un petit verre pour aider la résine à pénétrer.

Les gradients de tension sont indiqués pour les systèmes à base de résine en unités [VDC/mil]. Vous devez vous assurer que votre gradient de tension est inférieur à la valeur dépréciée du vieillissement pour le système de résine entre vos feuilles isolantes dans la carte. Pour un gradient de tension alternative, utilisez moins de la moitié de la valeur du gradient de tension continue.

Choisir les bons conducteurs

Une fois les couches de stratifié et la résine de votre topologie de PCB sélectionnées, vous pouvez passer aux conducteurs. L'espacement entre vos traces et vos pastilles est dicté par la sécurité et les normes. Par exemple, la norme MIL-STD-275 recommande un espacement de 8 V/mil, mais bon nombre de ces normes sont anciennes et n'ont pas été mises à jour pour prendre en compte des nouveaux matériaux comme la HVPF ou le Kapton, qui peuvent supporter 1000 V/mil.

Vous voudrez aussi que la qualité de votre cuivre réponde à vos exigences. Choisissez un poids de cuivre pour vos vias qui convient aux contraintes électriques et mécaniques. Les vias en cuivre de 1-3 oz sont sujets aux défaillances en cas de surintensité, et les vias de 1-2 oz sont sensibles aux contraintes mécaniques. Même de légères augmentations de poids améliore la capacité de survie de votre carte.


Vector image of PCB layout.

Avant d'envoyer votre conception au fabricant, assurez-vous de spécifier le poids du cuivre à utiliser. Un faible poids ne résistera pas aux applications à haute tension.

Renseignez-vous sur les surfaces finies

Enfin, renseignez-vous auprès de votre fabricant sur la qualité de finition de votre carte. De mauvaises conditions de surface sur la carte, comme des bosses, des particules, des incohérences ou une contamination, augmentent la probabilité de formation d'arcs électriques et annulent tout le choix de matériaux coûteux que vous avez fait. Sur le conducteur, des points rugueux ou des rayures créeront des zones qui concentreront l'intensité du champ électrique et vous aurez des arcs électriques à des tensions plus basses. Assurez-vous que la manipulation de vos cartes tout au long de la production les protège de tout dommage susceptible de diminuer leurs performances haute tension.

Sanded copper surface.

Des rayures dans les couches de cuivre augmentent le risque d'arc électrique.

Bien que le choix des diélectriques et des conducteurs soit un processus plus coûteux que le choix de fils, cela n'est pas plus compliqué. En utilisant des outils de conception qui gèrent vos exigences de performance et vos tolérances en un seul endroit, il est facile d'identifier ce dont vous avez besoin et d'économiser de l'argent sur ce dont vous n'avez pas besoin. Des logiciels de CAO électronique comme Altium Designer® et Altium Vault® simplifient la gestion de votre conception et l'intégration de votre chaîne d'approvisionnement afin que vous puissiez finaliser votre PCB et reprendre le tricot, la course ou tout autre projet sur lequel vous aimeriez travailler.

Avez-vous une question sur les matériaux relatifs à la conceptions haute tension ? Contactez un expert chez Altium.

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