Wie Multi-Layer-Leiterplatten das Problem der Durchschlagsfestigkeit zwischen den Schichten lösen

Bei Hochspannungselektronikgeräten – von industriellen Stromversorgungen bis hin zu medizinischen Bildgebungsgeräten – stehen mehrschichtige PCB vor einer kritischen Herausforderung:Sicherstellung einer zuverlässigen Isolierung zwischen den Schichten zur Verhinderung elektrischer AusfälleIm Gegensatz zu Einzel- oder Doppelschicht-PCBs, die weniger zu isolierende Schichten haben, stapeln Mehrschicht-PCBs 3+ Kupferschichten, wodurch mehrere potenzielle Punkte für Spannungslecks oder Bogen entstehen.durch fortschrittliche dielektrische MaterialienDurch präzises Design und strenge Fertigung lösen mehrschichtige Leiterplatten nicht nur Spannungsprobleme, sondern bieten auch eine überlegene Leistung und Haltbarkeit.Dieser Leitfaden beschreibt, wie mehrschichtige Leiterplatten mit Spannungsproblemen zwischen den Schichten umgehen, von der Materialauswahl bis zur Prüfung, und warum Partner wie LT CIRCUIT für sichere Hochspannungskonstruktionen von entscheidender Bedeutung sind.

Wichtige Erkenntnisse
1Dielektrische Materialien sind von grundlegender Bedeutung: Hochwertige Materialien wie FR-4 (Epoxy + Glasfaser) oder mit Nanopartikeln verbesserte Dielektrika blockieren Spannungsleckagen und halten 200-500 V pro Millimeter Dicke stand.
2.Genaue Isolationskontrolle: Die Isolationsdicke (mindestens 2,56 Mil für die IPC-Klasse 3) und der Schichtabstand (mindestens 8 Mil für die Bohrungsfreiheit) verhindern Bogen und Kurzschlüsse.
3.Stack-up-Design-Materialien: Gleichmäßiges Schichtstapeln, dedizierte Boden-/Leistungsebene und getrennte Signalschichten reduzieren Spannungsbelastung und Lärm.
4.Rigoroses Testen ist nicht verhandelbar: Mikrosectioning, thermische Zyklen und Surface Insulation Resistance (SIR) -Tests fangen Schwachstellen auf, bevor sie zu Fehlern führen.
5.Herstellungspräzision: Kontrollierte Lamination (170~180°C, 200~400 PSI) und Oxidbehandlung sorgen für starke Schichtbindungen und eine gleichbleibende Isolierung.

Warum Mehrschicht-PCBs Spannungsmaterien widerstehen
Widerstandsspannung (auch dielektrische Widerstandsspannung genannt) ist die maximale Spannung, die eine Leiterplatte ohne elektrischen Ausfall bewältigen kann, wenn Strom zwischen den Schichten durchläuft, was zu Kurzschlägen, Bogen,oder sogar BrändeBei mehrschichtigen PCBs wird diese Herausforderung verstärkt, weil

1.Mehr Schichten = mehr Isolationspunkte: Jedes Kupferschichtpaar erfordert eine zuverlässige Isolierung, wodurch das Ausfallrisiko erhöht wird, wenn eine Schicht kompromittiert wird.
2Hochspannungsanwendungen erfordern Strenge: Industrielle Steuerungen (480V), Medizinprodukte (230V) und Automobilsysteme (400V EV-Batterien) benötigen PCBs, die einem konstanten Spannungsdruck standhalten.
3Umweltfaktoren verschlimmern die Risiken: Feuchtigkeit, Hitze und Vibrationen können die Isolierung im Laufe der Zeit schwächen, die Widerstandsspannung verringern und die Lebensdauer des Geräts verkürzen.

Ein einziger Isolationsfehler kann katastrophale Folgen haben, z. B. könnte ein Kurzschluss in einer EV-Batterie-PCB zu einer thermischen Ausrottung führen, während ein Leck in einem medizinischen MRT-PCB die Patientenversorgung stören könnte.Mehrschicht-PCB lösen diese Risiken durch gezielte Konstruktion und Herstellung.

Wie Multi-Layer-PCBs Spannungsprobleme lösen
Mehrschicht-PCBs widerstehen Spannungen durch drei Kernstrategien: Hochleistungsdielektrische Materialien, präzise Isolationskonstruktion und kontrollierte Herstellungsprozesse.Nachstehend finden Sie eine detaillierte Aufschlüsselung jedes Ansatzes.

1Dielektrische Materialien: Die erste Verteidigungslinie
Die Elektroelementen (Isolatoren) trennen Kupferschichten und blockieren Spannungsleckagen.mit kritischen Eigenschaften wie die dielektrische Festigkeit (Spannung pro Stück Dicke) und Feuchtigkeitsbeständigkeit.

Dielektrische Werkstoffe für Hochspannung

Warum sich die Materialwahl von LT CIRCUIT auszeichnet
LT CIRCUIT verwendet hochwertige, auf den Spannungsbedarf zugeschnittene Dielektrikmaterialien:
a.Für allgemeine Hochspannungskonstruktionen: FR-4 mit einer dielektrischen Festigkeit ≥ 400 V/mil, nach den Normen IPC-4101 geprüft.
b.Für extreme Bedingungen: mit Nanopartikeln verstärktes FR-4 oder PTFE, das Spannungen bis zu 700 V/ml aushält.
c. für die medizinische/automotive Industrie: Materialien mit geringer Feuchtigkeitsabsorption (< 0,1%) zur Verhinderung des Abbaues der Isolierung im Laufe der Zeit.

Kritische Anmerkung: Dielektrische Festigkeit ist nicht konstant, dickere Materialien können einer höheren Gesamtspannung standhalten.

2Isolationsdicke und Schichtweite: Verhinderung von Bogen
Selbst das beste dielektrische Material versagt, wenn es zu dünn ist oder die Schichten zu nahe sind. Mehrschichtliche Leiterplatten verwenden eine präzise Isolationsdicke und einen Schichtintervall, um Bogen (Spannungssprung zwischen Schichten) zu vermeiden.

Leitlinien für die Isolationsdicke
Die Isolationsdicke wird durch die maximale Spannung bestimmt, der die Leiterplatte gegenübersteht, nach Normen wie IPC-2221:
a. Mindestdicke: 2,56 mil (65 μm) für IPC-Klasse 3-Boards (kritische Anwendungen wie medizinische/Automotive).
b.Spannungsbasierte Größe: Für jede Betriebsspannung von 100 V werden 0,5 ‰ 1 ml Isolierung hinzugefügt. Zum Beispiel benötigt ein 1000 V-PCB 10 ‰ 20 ml Isolierung zwischen Hochspannungslagen.
c. Toleranzkontrolle: LT CIRCUIT hält für Platten mit einer Dicke von < 15 mm eine Dicke von ± 2 mm bei und gewährleistet eine gleichbleibende Isolierung der PCB.

Schichtweite: Vermeiden von Bohr-zu-Kupfer-Shorts
Der Schichtstand (Abstand zwischen Kupferschichten und Durchgängen) ist ebenso wichtig, insbesondere bei Bohrungen (die Schichten leicht verschieben können):
a. Mindestfreiheit von Bohrungen auf Kupfer: 8 mil (203 μm) pro IPC-2222, wodurch verhindert wird, dass Bohrungen auf Kupfer treffen und zu Kurzschlägen führen.
b.Anti-Pad-Design: LT CIRCUIT verwendet "Anti-Pads" (zusätzliche Kupferfreie Fläche um die Durchgänge) zur Erhöhung der Abstandsfreiheit auf 9 ‰ 10 mil, wodurch ein Sicherheitspuffer hinzugefügt wird.
c. Schichtbereinigung: Durch die Laserbereinigung werden Schichten innerhalb von 50 μm (1,97 mil) registriert, so dass der Abstand gleichbleibt.

Beispiel: Bei einer 4-schichtigen Leiterplatte für einen 500-Volt-Industrie-Sensor werden 5 ml Isolierung zwischen den Schichten und 9 ml Bohr-Kupfer-Abstand verwendet, um Bogen zu verhindern, auch wenn die Leiterplatte bis zu 125 °C erhitzt wird.

3. Stack-Up-Design: Verringerung der Spannungsbelastung
Ein gut konzipiertes Schichtstapel verteilt die Spannung gleichmäßig und reduziert die Belastung der Isolierung.
1. Gleiche Schichtzahl & Symmetrie
a.Eben Schichten: 4, 6 oder 8 Schichten verhindern eine Verformung während der Lamination (symmetrische Ausdehnung unter Hitze/Druck), die eine Isolierung durchbrechen könnte.
b.Gleichgewichtige Kupferverteilung: Eine gleichmäßige Kupferdeckung auf beiden Seiten des Dielektris reduziert die Spannungskonzentration (ungleichmäßiges Kupfer kann heiße Stellen erzeugen).

2. Spezielle Boden- und Kraftflugzeuge
a.Bodenflächen als Schutzschilde: Innenflächen zwischen Signalschichten absorbieren Spannungsgeräusche und bilden eine Barriere zwischen Hoch- und Niederspannungsschichten.
b.Einspeicherung der Leistungsebene: Hochspannungs-Leistungsebene (z. B. 400V EV-Leistung) werden durch eine dicke Isolierung (10+ ml) von den Niederspannungssignallagen getrennt, um Leckagen zu verhindern.

3. Signalschichttrennung
a.Keine benachbarten Signalschichten: Die Platzierung von Signalschichten neben Boden-/Kraftebenen (nicht andere Signalschichten) verringert die Übertragung und Spannungskopplung zwischen Signalen.
b. Impedanzkontrolle: Die Spuren an den äußeren Schichten sind auf 50Ω (RF) oder 100Ω (Differenzpaare) ausgelegt und verhindern Signalreflexionen, die die Isolierung belasten könnten.

LT CIRCUITs Stack-Up Benchmarks (nach IPC-Normen):

4Herstellungsprozesse: Gewährleistung einer gleichbleibenden Isolierung
Selbst das beste Design scheitert bei schlechter Fertigung. Mehrschicht-PCBs sind auf kontrollierte Lamination, Oxidbehandlung und Qualitätsprüfungen angewiesen, um die Isolationsintegrität zu erhalten.

Lamination: Verklebungsschichten ohne Schwachstellen
LT CIRCUITs Laminationsverfahren ist für Hochspannungs-PCBs optimiert:
a. Temperaturregelung: 170°C bis 180°C (338°F bis 356°F) zur Epoxidhärtung ohne Beschädigung der dielektrischen Materialien.
b. Druck: 200-400 PSI (Pfund pro Quadratzoll) zur Gewährleistung enger Schichtbindungen und zur Beseitigung von Luftblasen (die Isolationslücken verursachen).
c. Vakuum-Entgasung: Entfernt Luft zwischen den Schichten und verhindert Leerstellen, die zum Abbau führen könnten.
d.Kontrollierte Kühlung: Eine langsame Kühlung (5°C pro Minute) verhindert eine thermische Belastung, die die Isolierung zerreißt.

Oxidbehandlung: Stärkung der Schichtbindungen
a.Kupferoxidbeschichtung: Vor dem Lamieren werden Kupferschichten mit einer dünnen Oxidschicht behandelt, die die Haftung an dielektrischen Materialien verbessert.Dies verhindert eine Delamination (Schichttrennung), wodurch die Isolierung Feuchtigkeit und Spannungsbelastung ausgesetzt ist.
b.Qualitätsprüfungen: Nach der Lamierung wird durch Ultraschallprüfung eine versteckte Delamination oder Hohlräume festgestellt.

Bohren und Plattieren: Vermeidung von Isolationsschäden
a.Laserbohrung: Bei Mikrovia (68 mil) ist das Laserdrehen präziser als das mechanische Bohren und verringert so die Gefahr, dass benachbarte Schichten beschädigt werden.
b. Elektroplattierungskontrolle: Die Kupferplattierung von Durchgängen ist auf eine Dicke von 25-30 μm beschränkt und verhindert den Aufbau von Plattierungen, die den Abstand zwischen den Isolierungen verringern könnten.

Prüfung und Qualitätskontrolle: Überprüfung der Spannungsbeständigkeit
Keine mehrschichtige Leiterplatte ist ohne strenge Prüfungen für den Hochspannungsgebrauch geeignet.

1. Elektrische Prüfungen
a.Dielektrischer Widerstandsversuch (DWV): Die Betriebsspannung wird für 60 Sekunden um das 1,5-fache (z. B. 750 V bei einem 500-Volt-PCB) erhöht, um das Leck zu überprüfen. Ein Leckstrom von > 100 μA zeigt einen Ausfall der Isolierung an.
b. Oberflächenisolierenwiderstandsprüfung (SIR): Widerstand zwischen Kupferspuren (≥10^9 MΩ zulässig) im Laufe der Zeit gemessen, Feuchtigkeit und Wärme simuliert, um die langfristige Isolationsstabilität zu überprüfen.
c. Flying Probe Test: Verwendet robotergestützte Sonden, um nach Kurzschlüssen zwischen den Schichten zu suchen und Bohr-zu-Kupfer-Fehler zu ermitteln.

2. Physikalische und thermische Prüfungen
a. Mikrosektion: Schneidet den PCB-Querschnitt, um die Isolationsdicke, die Schichtausrichtung und die Hohlräume unter dem Mikroskop zu untersuchen. LT CIRCUIT erfordert eine Isolationsdeckung von ≥ 95% (keine Hohlräume > 50 μm).
b.Thermal Cycling Test: Die PCB wird für 1.000 Zyklen zwischen -40 °C und 125 °C geprüft, um reale Temperaturänderungen zu simulieren..
c. Röntgen-CT-Scanning: Erstellt 3D-Bilder der Leiterplatte, um versteckte Lücken oder Delaminationen zu erkennen, die bei der Mikrosektion möglicherweise übersehen werden.

3. Materialzertifizierungen
a.UL-Zertifizierung: Die dielektrischen Materialien sind flammschutzfähig (UL 94 V-0) und erfüllen Spannungsstandards.
b. IPC-Konformität: Alle PCB erfüllen IPC-6012 (Rigid PCB Qualification) und IPC-A-600 (Akzeptabilitätskriterien) für Isolierung und Schichtqualität.

Gemeinsame Herausforderungen und Lösungen
Selbst mit bewährten Verfahren stehen mehrschichtige Leiterplatten vor Spannungsproblemen.
1. Dielektrische Auflösung durch Feuchtigkeit
Herausforderung: Die Feuchtigkeitsabsorption (in FR-4 üblich) reduziert die dielektrische Festigkeit um 20-30%, wodurch das Risiko eines Ausfalls erhöht wird.
Lösung: LT CIRCUIT verwendet Materialien mit geringer Feuchtigkeitsdichte (< 0,1% Absorption) und konforme Beschichtungen (Acryl oder Silikon) für Outdoor-/Industrie-PCBs, die das Eindringen von Feuchtigkeit blockieren.

2. Wärmebelastungskrecken Isolation
Herausforderung: Hohe Temperaturen (z. B. bei Elektrofahrzeugbatterien) verursachen eine Ausdehnung der dielektrischen Materialien, wodurch die Isolierung zwischen den Schichten knackt.
Lösung: LT CIRCUIT wählt Materialien mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) – z. B. FR-5 (CTE: 13 ppm/°C) gegenüber dem Standard-FR-4 (17 ppm/°C) – aus und fügt thermische Durchgänge hinzu, um die Wärme abzuleiten.

3. Delamination der Schichten
Herausforderung: Eine schlechte Lamination oder Oxidbehandlung führt dazu, daß sich die Schichten trennen, wodurch die Isolierung Spannungsbelastung erleidet.
Lösung: LT CIRCUIT verwendet Vakuumlaminierung, Oxidbehandlung und Ultraschallprüfung, um 99,9% Schichthaftung zu gewährleisten.

4. Spannungsübergang zwischen Schichten
Herausforderung: Hochspannungsschichten können in Niederspannungsschichten Lärm hervorrufen und die Leistung beeinträchtigen.
Lösung: LT CIRCUIT platziert Bodenflächen zwischen Hoch- und Niederspannungsschichten und erzeugt so einen Schild, der das Crosstalk blockiert.

Häufig gestellte Fragen
1Welche ist die Mindestdämpfung einer 1000V-Mehrschichtplatte?
Für 1000 V verwenden Sie 10 ‰ 20 ml Isolierung (FR-4: 400 V / ml), um einen Sicherheitspuffer zu gewährleisten. LT CIRCUIT empfiehlt 15 ml für die meisten 1000 V-Anwendungen mit einer Toleranz von ± 2 ml.

2Wie prüft LT CIRCUIT versteckte Isolationslücken?
LT CIRCUIT verwendet Röntgen-CT-Scans und Ultraschalluntersuchungen zur Erkennung von Hohlräumen <50μm. Mikrosektionen werden auch zur Untersuchung von Querschnitten auf Lücken zwischen Schichten verwendet.

3Können mehrschichtige PCBs gleichermaßen AC- und DC-Spannung standhalten?
Dielektrische Materialien behandeln Gleichstrom besser als Wechselstrom (Wechselstrom verursacht Polarisierung, wodurch die Widerstandsspannung reduziert wird). LT CIRCUIT senkt die Wechselstrom-Widerstandsspannung um 20% (z. B. 400 V Wechselstrom gegen 500 V Gleichstrom für die gleiche Isolierung).

4Was passiert, wenn die Isolierung eines mehrschichtigen PCBs versagt?
Ein Ausfall der Isolierung verursacht einen Stromleck, der zu folgenden Folgen führen kann:
a. Kurzschlüsse (schädigende Komponenten).
b.Bogen (Sparkenschächte oder Feuer erzeugen).
c. Wärmeablauf (in Hochleistungsgeräten wie EV-Batterien).

5Wie lange hält die Isolierung in einem mehrschichtigen PCB?
Bei richtiger Materialauswahl und Herstellung hält die Isolierung in Innenanwendungen 10-20 Jahre. LT CIRCUITs PCBs für den industriellen/automotiven Einsatz sind für mehr als 15 Jahre Lebensdauer bestimmt.

Schlussfolgerung
Mehrschicht-PCBs lösen Spannungsprobleme durch eine Kombination aus hochwertigen Materialien, präzisen Designs und strenger Fertigung.Durch die Auswahl von dielektrischen Materialien mit hoher FestigkeitDurch die Steuerung der Isolationsdicke und des Schichtstandes und die Validierung durch umfassende Tests liefern diese PCB eine sichere und zuverlässige Leistung in Hochspannungsanwendungen von Elektrofahrzeugen bis hin zu Medizinprodukten..

Partner wie LT CIRCUIT sind für diesen Erfolg von entscheidender Bedeutung: Ihre Expertise in der Materialauswahl, im Stapeldesign und in der Qualitätskontrolle sorgt dafür, dass PCB die strengsten Standards für Spannungswiderstand erfüllen.Da Hochspannungselektronik immer häufiger wird (eDie Rolle von gut konstruierten mehrschichtigen Leiterplatten wird nur weiter wachsen.

Für Konstrukteure und Ingenieure ist die entscheidende Erkenntnis klar: Widerstandsspannung ist kein Nachdenken, sie muss in jeden Schritt des Mehrschicht-PCB-Entwurfs und -Herstellungsprozesses integriert werden.Durch Priorisierung der Isolationsqualität, können Sie Geräte bauen, die sicher, langlebig und bereit für die Anforderungen der modernen Hochspannungstechnologie sind.