一, Sfide fondamentali e modalità di guasto dell'isolamento elettrico
1. Degrado dell'isolamento causato da fattori ambientali
Elevata umidità: quando l'umidità supera l'85% di umidità relativa, le molecole d'acqua formano percorsi conduttivi sulla superficie dei materiali isolanti, con conseguente diminuzione della resistenza di isolamento di oltre il 50%.
Ciclo di temperatura: con una differenza di temperatura compresa tra -40 gradi e +85 gradi, la differenza nel coefficiente di espansione termica del materiale può causare microfessure, riducendo la distanza di dispersione del 30%.
Inquinamento chimico: Sostanze corrosive come nebbia salina e macchie d'olio possono danneggiare lo strato isolante, riducendo la resistenza superficiale a 1/10 del suo valore iniziale entro 24 ore.
2. Modalità di guasto tipiche
Guasto elettrico: a tensioni superiori a 500 V, i punti deboli (come la saldatura dei pin) subiscono un guasto istantaneo, rilasciando una grande quantità di calore.
Creepage corrosion: The conductive channel formed along the insulation surface continues to develop under high voltage difference (>1000 V/mm), provocando infine un cortocircuito.
Accumulo statico: l'elettricità statica (fino a 15 kV) generata dall'attrito o dall'induzione può penetrare dispositivi sensibili come i MOSFET, causando danni permanenti.
2, Selezione e requisiti prestazionali dei materiali isolanti
1. Materiali isolanti di base
Substrato PCB: i materiali FR-4 (resistenza a tensione maggiore o uguale a 20 kV/mm) o PTFE (resistenza a temperatura di 260 gradi) dovrebbero essere preferiti e i pannelli fenolici a base di carta (resistenza a tensione solo 5 kV/mm) dovrebbero essere evitati.
Adesivo sigillante: utilizzando resina epossidica bicomponente (come EPON 828), con una resistività di volume di 1 × 10 ¹⁵Ω· cm e un intervallo di resistenza alla temperatura da -60 gradi a+180 gradi .
Guarnizione isolante: film selezionato in poliimmide (PI) (spessore 0,1 mm, tensione di tenuta 10 kV), con costante dielettrica stabile (3,4-3,6) e tangente di perdita<0.005.
2. Materiali ambientali speciali
Rivestimento a prova di umidità: spruzzare vernice a prova di tre prove (come Humisay 1B31) sulla superficie del PCB, con un tasso di assorbimento d'acqua inferiore allo 0,1%, che può aumentare la resistenza di isolamento di 2 ordini di grandezza.
Arc resistant material: Ceramic coating (Al ₂ O ∝, thickness 50 μ m) is used in high-voltage contact areas, with an arc resistance time of>180 secondi (norma IEC 60112).
Conductive shielding layer: In severe electromagnetic interference scenarios, copper foil shielding (thickness 0.1mm, shielding effectiveness>80 dB a 1 GHz) Garantisce una connessione affidabile con il cavo di terra.
3, Schema di ottimizzazione dell'isolamento nella progettazione strutturale
1. Distanza superficiale e distanza elettrica
Standard di sicurezza: secondo la norma IEC 60664-1, la distanza di dispersione per il livello di inquinamento 3 (ambiente industriale) con tensione di lavoro di 240 V deve essere maggiore o uguale a 3,2 mm e la distanza elettrica deve essere maggiore o uguale a 2,0 mm.
Misure di ottimizzazione:
Imposta slot di isolamento (larghezza maggiore o uguale a 1 mm, profondità maggiore o uguale a 0,5 mm) attorno ai pin ad alta-tensione
Utilizzo di componenti SMD invece di componenti a foro passante-per ridurre la lunghezza di esposizione dei pin
Posizionare il nastro protettivo (larghezza maggiore o uguale a 2 mm) sul bordo del PCB per evitare scariche dai bordi
2. Progettazione della messa a terra e della schermatura
Messa a terra a punto singolo: l'isolamento magnetico viene utilizzato alla giunzione dei circuiti analogici e digitali per evitare interferenze del circuito di terra.
Trattamento dello strato schermante:
Il guscio metallico deve stabilire un contatto affidabile con il piano di massa del PCB attraverso piastre a molla (resistenza di contatto<10m Ω)
Il tasso di copertura dello strato intrecciato del cavo schermato deve essere maggiore o uguale al 90% e per la terminazione deve essere utilizzato un processo di crimpatura a 360 gradi
3. L'impatto della progettazione termica sull'isolamento
Percorso di dissipazione del calore: assicurati che il dissipatore di calore sia mantenuto a una distanza maggiore o uguale a 5 mm dall'area ad alta-tensione oppure utilizza un cuscinetto termico isolato (come Bergquist GAP Pad) per isolarlo.
Monitoraggio della temperatura: installare termistori NTC vicino a componenti chiave come i circuiti integrati del driver di retroilluminazione per attivare la protezione dal declassamento quando la temperatura supera gli 85 gradi.
4, punti chiave di controllo del processo di installazione
1. Saldatura e pulizia
Saldatura senza piombo: utilizzo della lega Sn Ag Cu (punto di fusione 217 gradi) per evitare il degrado delle prestazioni di isolamento causato dalla contaminazione da piombo.
Residui di flusso: utilizzare flusso non detergente o utilizzare la pulizia a ultrasuoni (frequenza 40 kHz, tempo 3 minuti) dopo la saldatura per garantire residui di ioni<1.5 μ g/cm ².
2. Fissazione meccanica
Viti isolanti: utilizza materiale PA66+30% GF (resistente a una tensione di 15 kV) per evitare l'uso di viti metalliche per penetrare direttamente nel PCB.
Controllo della pressione: controllare la pressione fissa (0,5-0,7 N · m) tramite una chiave dinamometrica per evitare che una pressione eccessiva provochi la deformazione della guarnizione isolante.
3. Processo di sigillatura
Degasaggio sotto vuoto: prima della sigillatura, trattare sotto vuoto il colloide (pressione<10kPa, time 10 minutes) to eliminate local insulation weakness caused by bubbles.
Controllo della polimerizzazione: la resina epossidica bicomponente deve essere polimerizzata a 25 gradi per 24 ore o polimerizzata a caldo (80 gradi/2 ore) per aumentare la densità di reticolazione.
5, test e verifica delle prestazioni di isolamento
1. Test di routine
Test di resistenza di isolamento: utilizzare un megaohmmetro da 500 V CC e il valore misurato deve essere maggiore o uguale a 100 M Ω (standard IEC 60529).
Test di resistenza alla tensione: applicare 1500 V CA (1 minuto) o 2121 V CC (1 secondo) e la corrente di dispersione dovrebbe essere<5mA (UL 60950 standard).
2. Test di simulazione ambientale
Test di calore umido: dopo essere stato collocato in un ambiente con 85 gradi/85% di umidità relativa per 96 ore, il tasso di caduta della resistenza di isolamento dovrebbe essere inferiore al 50%.
Test in nebbia salina: se esposto ad un ambiente con nebbia salina al 5% per 48 ore, non vi è alcun prodotto di corrosione sulla superficie.
Cicli di temperatura: esegui 20 cicli tra -40 gradi e +85 gradi senza degrado permanente delle prestazioni di isolamento.
3. Verifica dell'affidabilità a lungo termine
Test di durata accelerato: dopo un funzionamento continuo per 1.000 ore a 60 gradi, 85% di umidità relativa e 1,2 volte la tensione nominale, il tasso di guasto dovrebbe essere inferiore allo 0,1%.
Test HALT: identifica i punti deboli della progettazione attraverso condizioni estreme come rapidi cambiamenti di temperatura (da -55 gradi a +125 gradi/min) e vibrazioni casuali (50 g RMS).
6, Casi applicativi tipici
Nel sistema di controllo di una determinata piattaforma di trivellazione petrolifera, il display LCD dello strumento deve funzionare stabilmente in un ambiente contaminato da petrolio a 120 gradi. Implementando le seguenti misure:
Utilizzando la guarnizione isolante a film sottile PI (spessore 0,2 mm, resistenza alla temperatura 300 gradi)
Spray nano coating on the surface of PCB (contact angle>150 gradi) per evitare che le macchie d'olio aderiscano
Per la sigillatura viene utilizzata la gomma siliconica (Shore A 30, resistenza alla temperatura da -60 gradi a+200 gradi)
Verificato dal "Test di corrosione della nebbia d'olio" nella norma IEC 60068-2-64
Il sistema ha funzionato ininterrottamente per 5 anni, con una resistenza di isolamento sempre mantenuta al di sopra di 500M Ω e non si sono verificati guasti elettrici o guasti superficiali.
