Caractéristiques spécifiques à la conception de circuits imprimés haute tension

Lignes électriques devant les lumières de la ville.

 

 

Avant, je pensais que la haute tension n'était utilisée que dans le domaine du génie électrique. Comme je n’avais aucune envie de travailler dans une centrale électrique ou dans une station de transformation, je pensais ne pas avoir besoin d'apprendre à concevoir des circuits imprimés haute tension. Hélas, mon intérêt pour les technologies spatiales m’a montré que j'avais tort, et m’a forcé à remédier à ma paresse. Il s’avère que la haute tension apparaît dans presque tous les secteurs, de la manufacture aux centrales électriques, en passant par les domaines du médical et de l'aérospatial.

 

Concevoir un circuit imprimé pour les applications haute tension exige de prendre en compte de nombreux détails pour chacune des étapes de votre conception et de la fabrication. Le circuit imprimé sera soumis à de rudes conditions d’utilisation, il faut donc davantage tenir compte de la durée de vie des composants et des matériaux. Si vous êtes prêt à relever le défi, voici les caractéristiques à prendre en compte lors de la conception de votre circuit imprimé, avant de vous lancer dans le routage.

Tenir compte de la fréquence de fonctionnement

La fréquence de fonctionnement de votre produit a une incidence sur la conception haute tension, tout comme l'ESD et la gestion du bruit ont une incidence sur la carte. Ceci s'explique par le fait que les hautes fréquences génèrent un arc électrique à plus basse tension, ce qui nécessite un espacement plus strict autour de ces lignes de signaux.

 

À l’autre extrémité du spectre des fréquences, une basse tension en courant continu nécessite également une attention particulière. Dans certaines conditions, un différentiel de courant continu peut provoquer une altération et une migration électrochimique. Même si aucun de ces problèmes n’est souhaitable, la migration électrochimique constitue un risque plus important pour les performances et la durée de vie des matériaux dans les conceptions haute tension. Ce problème s'explique par le fait que sur les pastilles conductrices ou les pistes se développent des filaments délicats et conducteurs, également appelés barbes, qui peuvent parfois créer un court-circuit entre les potentiels. Dans le meilleur des cas, ils engendreront des points plus susceptibles de produire des arcs, et réduisent les distances effectives de  lignes de fuite et d'espacements sur votre carte.

 

La migration électrochimique est le phénomène le plus fréquent avec l’étain et l’argent, mais ces petits filaments destructeurs peuvent même se développer avec le cuivre. Afin de minimiser les risques, n'utilisez pas d'étain ou d'argent purs comme finition sur votre circuit imprimé. Si vous utilisez de l'étain, un matériau contenant du plomb est recommandé, même si c'est en faible quantité, car les filaments conducteurs auront alors beaucoup plus de difficultés à se développer.

 

 

Images SEM d'une formation de barbes d'InAs.

De nombreux métaux sont susceptibles de développer des barbes. Les barbes d'étain ressemblent un peu à la fractalkine.

 

 

Déclassez vos composants

Lorsque vous concevez des circuits imprimés pour des environnements où les contraintes sont importantes, les tolérances des composants sont « déclassées ». Cela signifie que vous réduisez la valeur fonctionnelle maximale du courant, de la tension ou de la température pour un composant ou un matériau en vue d'améliorer la durée de vie de votre produit. Souvent, cette valeur est simplement calculée en prenant un pourcentage de l'évaluation du fabricant. Ce pourcentage est généralement spécifié par la norme MIL-STD ou toute autre spécification déterminée par vos clients et l’environnement d’exploitation de votre produit.

 

La plupart du temps, les matériaux sont déclassés vers la valeur moyenne qu'ils sont supposés atteindre, ce qui permet d'obtenir des exigences moins strictes et une production moins chère. Cependant, le risque dans toute conception haute tension réside dans les épisodes de surtension, qui entraînent la formation d'un arc ou d'une décharge coronaire sur le circuit imprimé. Nous vous conseillons de déclasser vos composants vers la tension maximale, plutôt que vers la tension moyenne, pour améliorer les chances de survie de votre produit en cas de surtension.

Sélectionnez vos composants

Après la procédure de déclassement, vous vous rendrez peut-être compte que certains composants que vous aviez initialement sélectionnés ne seront pas viables dans l'environnement de fonctionnement de votre produit. Un environnement haute tension entraîne des variations importantes dans le champ électrique qui entoure votre circuit imprimé, mais crée également un champ de tension au sein de vos composants. Pour garantir la fiabilité de chaque composant, Sierra Proto Express vous recommande de prévoir une marge d'au moins 1,5:1, et si possible supérieure à 2,1.

 

Dans certains cas, les variations de tension risquent non seulement d'endommager les composants, mais aussi de les transformer en points d’arc, et donc de diffuser une décharge sur tout le circuit imprimé. Choisissez soigneusement le boîtier de vos composants, car l'angle des compartiments et des bords peut être assez aigu pour confiner le champ électrique. Il en va de même pour toutes les attaches, clips et connecteurs. Tous les éléments de votre produit doivent avoir un rayon maximum pour distribuer le champ électrique et éviter la création de points d'arc sur votre circuit imprimé.

 

 

Composants montés en surface sur un circuit imprimé.

L'utilisation d'un revêtement ou de joints de soudure peut concentrer le champ électrique sur votre circuit imprimé et augmenter les risques de formation d'un arc.

 

 

Concevoir un circuit imprimé pour un environnement à haute tension est un défi particulièrement difficile à relever. Cependant, c'est un environnement si répandu qu'il est quasiment impossible de toujours éviter de travailler sur une conception de ce type. Heureusement, il existe un logiciel de conception de circuits imprimés génial, qui s'appelle Altium Designer, et qui peut vous aider à gérer les règles de conception pour créer un circuit imprimé tout simplement parfait.

 

Vous avez des questions sur la conception haute tension ? Contactez un de nos experts Altium.

 

 

 

 

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Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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