一, Principais desafios e modos de falha do isolamento elétrico
1. Degradação do isolamento causada por fatores ambientais
Alta umidade: Quando a umidade excede 85% de umidade relativa, as moléculas de água formam caminhos condutores na superfície dos materiais de isolamento, resultando em uma diminuição da resistência do isolamento em mais de 50%.
Ciclo de temperatura: Sob uma diferença de temperatura de -40 graus a+85 graus, a diferença no coeficiente de expansão térmica do material pode causar microfissuras, reduzindo a distância de fuga em 30%.
Poluição química: Substâncias corrosivas como névoa salina e manchas de óleo podem danificar a camada de isolamento, reduzindo a resistência da superfície para 1/10 do seu valor inicial em 24 horas.
2. Modos de falha típicos
Quebra elétrica: Em tensões acima de 500 V, pontos fracos (como solda de pinos) sofrem ruptura instantânea, liberando uma grande quantidade de calor.
Creepage corrosion: The conductive channel formed along the insulation surface continues to develop under high voltage difference (>1000V/mm), causando finalmente um curto-circuito.
Acumulação estática: A eletricidade estática (até 15kV) gerada por fricção ou indução pode penetrar em dispositivos sensíveis como MOSFETs, causando danos permanentes.
2, Seleção e Requisitos de Desempenho de Materiais de Isolamento
1. Materiais básicos de isolamento
Substrato PCB: materiais FR-4 (tensão suportável maior ou igual a 20kV/mm) ou PTFE (temperatura suportável 260 graus) devem ser preferidos, e placas fenólicas à base de papel (tensão suportável apenas 5kV/mm) devem ser evitadas.
Adesivo de vedação: usando resina epóxi de dois{0}}componentes (como EPON 828), com resistividade de volume de 1 × 10 ¹⁵Ω· cm e faixa de resistência à temperatura de -60 graus a+180 graus.
Junta de isolamento: Selecione filme de poliimida (PI) (espessura 0,1 mm, tensão suportável 10kV), com constante dielétrica estável (3,4-3,6) e tangente de perda<0.005.
2. Materiais ambientais especiais
Revestimento à prova de umidade: Pulverize tinta de três provas (como Humisay 1B31) na superfície do PCB, com uma taxa de absorção de água inferior a 0,1%, o que pode aumentar a resistência do isolamento em 2 ordens de grandeza.
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 segundos (padrão IEC 60112).
Conductive shielding layer: In severe electromagnetic interference scenarios, copper foil shielding (thickness 0.1mm, shielding effectiveness>80dB@1GHz) Garanta uma conexão confiável com o fio terra.
3, Esquema de otimização de isolamento em projeto estrutural
1. Distância de fuga e folga elétrica
Padrão de segurança: Seguindo IEC 60664-1, a distância de fuga para nível de poluição 3 (ambiente industrial) na tensão de trabalho de 240 V deve ser maior ou igual a 3,2 mm, e a folga elétrica deve ser maior ou igual a 2,0 mm.
Medidas de otimização:
Defina slots de isolamento (largura maior ou igual a 1 mm, profundidade maior ou igual a 0,5 mm) ao redor dos pinos-de alta tensão
Uso de componentes SMD em vez de{0}componentes passantes para reduzir o comprimento de exposição do pino
Coloque fita protetora (largura maior ou igual a 2 mm) na borda da PCB para evitar descarga na borda
2. Projeto de aterramento e blindagem
Aterramento de ponto único: O isolamento magnético do cordão é usado na junção de circuitos analógicos e digitais para evitar interferência de loop de terra.
Tratamento da camada de blindagem:
O invólucro de metal precisa fazer contato confiável com o plano de aterramento da PCB através de placas de mola (resistência de contato<10m Ω)
A taxa de cobertura da camada trançada do cabo blindado deve ser maior ou igual a 90%, e um processo de crimpagem de 360 graus deve ser usado para terminação
3. O impacto do design térmico no isolamento
Caminho de dissipação de calor: certifique-se de que o dissipador de calor seja mantido a uma distância maior ou igual a 5 mm da área de alta-tensão ou use uma almofada térmica isolada (como Bergquist GAP Pad) para isolá-lo.
Monitoramento de temperatura: Instale termistores NTC próximos aos principais componentes, como CIs de driver de luz de fundo, para acionar a proteção contra redução de potência quando a temperatura exceder 85 graus.
4, Principais pontos de controle do processo de instalação
1. Soldagem e Limpeza
Solda sem chumbo: Usando liga Sn Ag Cu (ponto de fusão 217 graus) para evitar a degradação do desempenho do isolamento causada pela contaminação por chumbo.
Resíduo de fluxo: Use fluxo sem limpeza ou limpeza ultrassônica (frequência 40kHz, tempo 3 minutos) após a soldagem para garantir resíduos de íons<1.5 μ g/cm ².
2. Fixação mecânica
Parafusos de isolamento: Use material PA66+30% GF (tensão suportável de 15kV) para evitar o uso de parafusos de metal para penetrar diretamente na PCB.
Controle de pressão: Controle a pressão fixa (0,5-0,7N · m) através de uma chave dinamométrica para evitar que pressão excessiva cause deformação da junta de isolamento.
3. Processo de vedação
Desgaseificação a vácuo: Antes de selar, trate o colóide a vácuo (pressão<10kPa, time 10 minutes) to eliminate local insulation weakness caused by bubbles.
Controle de cura: A resina epóxi de dois componentes precisa ser curada a 25 graus por 24 horas ou curada por calor (80 graus/2 horas) para aumentar a densidade de reticulação.
5, Teste e verificação de desempenho de isolamento
1. Testes de rotina
Teste de resistência de isolamento: Use um megôhmetro de 500V DC, e o valor medido deve ser maior ou igual a 100M Ω (padrão IEC 60529).
Teste de resistência à tensão: Aplique 1500 Vca (1 minuto) ou 2121 Vcc (1 segundo), e a corrente de fuga deve ser<5mA (UL 60950 standard).
2. Testes de simulação ambiental
Teste de calor úmido: Depois de ser colocado em um ambiente de 85 graus/85% de umidade relativa por 96 horas, a taxa de queda da resistência de isolamento deve ser inferior a 50%.
Teste de névoa salina: quando exposto ao ambiente de pulverização de solução de NaCl a 5% por 48 horas, não há produto de corrosão na superfície.
Ciclagem de temperatura: Execute 20 ciclos entre -40 graus e+85 graus sem degradação permanente do desempenho do isolamento.
3. Verificação de confiabilidade de longo prazo
Teste de vida acelerado: Após operação contínua por 1000 horas a 60 graus, 85% de umidade relativa e 1,2 vezes a tensão nominal, a taxa de falha deve ser inferior a 0,1%.
Teste HALT: identifique pontos fracos do projeto por meio de condições extremas, como mudanças rápidas de temperatura (-55 graus a+125 graus/min) e vibrações aleatórias (50g RMS).
6, Casos de aplicação típicos
No sistema de controle de uma determinada plataforma de perfuração de petróleo, o LCD do instrumento precisa funcionar de forma estável em um ambiente contaminado com óleo de 120 graus. Implementando as seguintes medidas:
Usando junta de isolamento de filme fino PI (espessura 0,2 mm, resistência à temperatura 300 graus)
Spray nano coating on the surface of PCB (contact angle>150 graus) para evitar que manchas de óleo grudem
Borracha de silicone (Shore A 30, resistência à temperatura -60 graus a +200 graus) é usada para vedação
Verificado pelo "Teste de corrosão por névoa de óleo" na norma IEC 60068-2-64
O sistema está funcionando continuamente há 5 anos, com resistência de isolamento sempre mantida acima de 500M Ω e não ocorreu nenhuma falha elétrica ou falha de fuga.
