تصميم مسافة الزحف وتتبع التيار الكهربائي للوحات الدوائر المطبوعة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية ذات الجهد العالي

تصميم مسافة الزحف وتتبع التيار الكهربائي للوحات الدوائر المطبوعة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية ذات الجهد العالي

الملخص

تعمل مراحل التشغيل والموازنة والترشيح في وحدة معالجة الأشعة فوق البنفسجية بجهد يتراوح بين 5 و20 كيلوفولت على لوحة FR-4، ويتغير التركيب الكيميائي لسطح اللوحة بين هذه العقد تحت تأثير ضوء يتراوح طول موجته بين 200 و450 نانومتر. الفجوة الفيزيائية ثابتة، بينما الفجوة الكهربائية متغيرة. تتناول هذه المقالة مقاومة السطح، والتسخين الجولي، وحسابات زمن التتبع، وأربعة أنماط لفشل المجال، وقواعد خفض القدرة وقواعد الفتحات، وجهاز مراقبة تيار التسرب الذي يُنذر قبل حدوث أول وميض كهربائي.

1. مقدمة

تعمل الأجزاء عالية الجهد في وحدة معالجة الأشعة فوق البنفسجية بجهد يتراوح بين 5 و20 كيلوفولت، ويعتمد عزلها على مسافة الزحف: وهي أقصر مسار على سطح اللوحة بين موصلين بجهدين مختلفين. يحدد كل من معيار IEC 60664 ومعيار IPC-2221 الحد الأدنى لمسافة الزحف لدرجة التلوث ومجموعة المواد.

تفترض هذه الجداول استخدام هواء صناعي عادي. داخل جهاز المعالجة، تتعرض اللوحة نفسها لفوتونات يتراوح طولها الموجي بين 200 و450 نانومتر، بالإضافة إلى الأوزون والحرارة ومذيبات التنظيف. يتأكسد راتنج الإيبوكسي FR-4، ويصبح سطحه قطبيًا ومحبًا للماء، وتتفاعل المواد العضوية المحمولة جوًا ضوئيًا لتكوين طبقة رقيقة تجعلها الرطوبة موصلة للكهرباء.

المسافة المادية ثابتة لا تتغير، بينما تتغير المسافة التي تحجب الجهد فعليًا. هذا التباين يفسر أصعب عطل يمكن إعادة إنتاجه: لوحة اجتازت اختبارات الجهد العالي واختبارات التفريغ الجزئي في المصنع، ثم تتعطل بعد عام، مع بقاء هندستها دون تغيير ودون وجود أي مكون تالف.

تقدم هذه المقالة حسابات التوصيل السطحي والتتبع، وأنماط فشل المجال الأربعة، وقواعد تخفيض القدرة والفتحة، وجهاز مراقبة التسرب الذي يحول السطح الزاحف إلى اتجاه قابل للقياس.

2. الآلية الأساسية

2.1 مقاومة التسرب السطحي

يتصرف الغشاء الملوث الموجود بين موصلين كمقاوم، وتتبع قيمته هندسة الغشاء والمقاومة السطحية للرقائق.

R_s = ρ_s · d / w

حيث R_s هي مقاومة التسرب السطحي، وρ_s هي المقاومة السطحية للرقائق القديمة، وd طول الزحف بين الموصلات، وw عرض طبقة التوصيل. يؤدي التعرض للأشعة فوق البنفسجية والتلوث إلى انخفاض ρ_s من عقد إلى ثلاثة عقود خلال سنة إلى ثلاث سنوات، لذا فإن طبقة كانت مقاومتها 50 ميجا أوم عندما كانت الآلة جديدة، تصل مقاومتها إلى 5 ميجا أوم أو أقل بنهاية فترة الضمان.

2.2 التسخين الجولي وحالة التتبع

يؤدي تيار التسرب عبر انقباض موضعي في ذلك الفيلم إلى تبديد الطاقة في بضعة ملليمترات مربعة من الرقائق.

P = I² · R_s

حيث P هي القدرة المبددة، وI هو تيار التسريب، وR_s هي مقاومة التسريب السطحية. عند تطبيق جهد 10 كيلو فولت عبر طبقة 50 ميجا أوم المذكورة في القسم 2.1، يبلغ تيار التسريب 200 ميكرو أمبير، وتستهلك الطبقة 2 واط. يؤدي ضغط هذه الطبقة في بضعة ملليمترات مربعة إلى رفع درجة حرارة سطحها فوق درجة حرارة التفحم البالغة 300 درجة مئوية للإيبوكسي، ويكون الكربون المتفحم موصلاً.

2.3 الوقت اللازم للتتبع مقابل مسافة الزحف

يتناسب الوقت اللازم لتكوين جسر كربوني من سطح نظيف مع مربع مسافة الزحف ويتناسب عكسياً مع مربع الجهد المطبق.

t_track = K · d² / (V² · σ_s)

حيث يُمثل t_track الزمن اللازم لظهور مسار كربوني، وK ثابت تجريبي للطبقة الرقيقة والتشطيب، وd مسافة الزحف، وV الجهد المُطبق، وσ_s موصلية السطح في نهاية العمر الافتراضي. مضاعفة مسافة الزحف تُضاعف الزمن أربع مرات. عقدة جهد 10 كيلوفولت بمسافة زحف 25 مم استغرقت 18 شهرًا في الموقع؛ بينما يصل عمر السطح نفسه إلى 6 سنوات عند مسافة زحف 50 مم، و10 سنوات عند مسافة زحف 65 مم.

2.4 تفريغ الوصلة الثلاثية واستجابة المراقبة

ينشأ مسار ثانٍ عند نقطة التقاء جسم المكثف، وخط اللحام، وسطح اللوحة. فوق مستوى بدء التفريغ الجزئي، تتسبب التفريغات في تآكل الطبقة الرقيقة والطبقة الخارجية، وتُركّز الحفرة المجال الكهربائي حتى يصل إلى أحد الأقطاب. يحتاج جهاز مراقبة التسرب، الذي يرصد هذه الظاهرة، إلى ثابت زمني خاص به.

τ = R · C

حيث τ هو ثابت زمن المراقبة، وR هي مقاومة المراقبة التسلسلية، وC هي سعة العقدة. مع مقاومة مراقبة 10 ميجا أوم وسعة عقدة 4700 بيكوفاراد، يكون الثابت 47 مللي ثانية، لذا فإن القيمة المسجلة مستقرة في غضون ربع ثانية.

الشكل 1 - عند 10 كيلو فولت، تتتبع عقدة FR-4 العارية في 18 شهرًا عند 25 مم وتحتاج إلى 65 مم لمدة عشر سنوات، بينما تتجاوز اللوحة المشقوقة المطلية عشر سنوات بالقرب من 37 مم.

3. نقاط الضعف الهندسية

نقطة الضعف الأولى: تتآكل الهوامش بينما يبقى الشكل الهندسي ثابتًا

اجتازت اللوحة اختبارات الجهد العالي والتفريغ الجزئي في المصنع، ولم يتغير شكل التسرب الكهربائي، وبعد عام من الخدمة، تضاعف تيار التسرب ثلاث مرات، وتوقف الجهاز عن العمل دون حدوث عطل متكرر. لم يتعطل أي مكون، وإنما تعطل السطح. يصعب تكرار هذا العطل لأنه يعتمد على جرعة الأشعة فوق البنفسجية المتراكمة.

نقطة الألم الثانية: يتحول الغبار ضوئيًا إلى طبقة موصلة

تستقر المواد العضوية المحمولة جوًا على اللوحة الإلكترونية في مصانع الطباعة والطلاء، ويؤدي ضوء الأشعة فوق البنفسجية إلى بلمرة هذه المواد وتكوين طبقة رقيقة تصبح موصلة للكهرباء بفعل الرطوبة. تحمل اللوحة النظيفة ظاهريًا مقاومة 50 ميجا أوم بين نقاط التشغيل، وتكون هذه الطبقة غير مرئية تحت التكبير العالي.

نقطة الضعف الثالثة: تصبح أطراف المكثف نقطة الضعف

صُمم جسم المكثف للاستخدام الداخلي النظيف. عند تركيبه على لوحة متدهورة، تصبح المسافة بين طرفيه أقصر مسار في التصميم، ويُشير مُدخل المجال إلى اسم المكثف بينما تسببت اللوحة في الإجهاد.

المشكلة الرابعة: التنظيف بالمذيبات يُسرّع الضرر

تقوم فرق الصيانة بتنظيف اللوحات باستخدام الكحول الأيزوبروبيلي ومذيبات خاصة. يستخلص المذيب الملدنات ويترك رواسب، تتفاعل هذه الرواسب ضوئيًا تحت المصباح. تُسرّع عملية التنظيف من التلف الذي كان من المفترض إزالتها.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية 1: تخفيض درجة حرارة جدول الزحف لخدمة الأشعة فوق البنفسجية

بافتراض درجة تلوث 3 وإضافة عامل الأشعة فوق البنفسجية، اضرب الحد الأدنى للزحف الكهربائي وفقًا لمعيار IEC 60664 لفئة الجهد بـ 1.5 إلى 2 مرة على اللوحات التي تتعرض لإشعاع المصابيح. عند جهد 10 كيلوفولت، ينتج عن ذلك مسار سطحي يتراوح بين 50 و60 ملم بدلًا من القيمة المرجعية في الجدول (25-30 ملم).

الاستراتيجية الثانية: قطع الفتحات الموجهة بين العقد ذات الجهد العالي

يؤدي إنشاء فتحة بعمق 5 مم بين نقاط التشغيل إلى مضاعفة مسار السطح بتكلفة شبه معدومة. يُنصح بتحديد أخاديد محفورة في مخطط اللوحة بدلاً من الاعتماد على فصل قناع اللحام، لأن القناع يجمع الطبقة التي تحمل التسريب.

الاستراتيجية الثالثة: اختر الحزم التي تحتوي على مشاهد زحف جسدي

تحديد N4700 قرص أو HVCT8G جزء طرفي لولبي يمتد ارتفاعه وطبقة التزجيج فيه من أعلى المكثف إلى سطح اللوحة. حدد مسافة زحف لا تقل عن 20 مم على جسم المكثف لفئة 10 كيلو فولت.

الاستراتيجية الرابعة: طلاء منطقة الجهد العالي بطبقة واقية

بعد التجميع، قم بتطبيق طبقة طلاء سيليكونية عالية النقاء ومقاومة للأشعة فوق البنفسجية على المنطقة. تزيد هذه الطبقة من مقاومة السطح بمقدار 100 ضعف وتمنع دخول الغبار. يُعد السيليكون الخيار الأمثل هنا لأنه لا يصفر أو يتشقق تحت الضوء، بينما... مكثف الفيلم لا توفر الأجزاء الأخرى من المسرح أي حماية لسطح اللوحة.

الاستراتيجية الخامسة: قياس تيار التسرب

أضف مقاومة تتراوح بين 10 و100 ميجا أوم مقاومة أخذ العينات قم بقياس مستوى التزويد بالكهرباء وسجّل اتجاه التسريب. يُعدّ تضاعف التيار خلال ستة أشهر أول مؤشر على تدهور السطح، مما يتيح الوقت لإعادة طلاء اللوحة أو استبدالها قبل حدوث أول شرارة كهربائية.

الاستراتيجية السادسة: تأهيل السطح عن طريق التقادم بالأشعة فوق البنفسجية

قم بإجراء اختبارات التقادم على عينات عند 10 أضعاف التدفق التشغيلي لمدة 500 ساعة مع تطبيق جهد انحياز، وقم بقياس مقاومة السطح أسبوعيًا. لا تقبل أي رقاقة إلا إذا كانت مقاومة سطحها لا تزال أعلى من 100 جيجا أوم بعد التقادم. مقاوم ذو طبقة سميكة في سلسلة الفواصل، يتم رؤية نفس السطح، لذا يتم تأهيله في نفس القسيمة.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
الجهد المقنن (سلسلة HVCT8G)	10 كيلو فولت العاصمة	جهد عالي 1.5× لمدة 60 ثانية
مواسعة	4700 بيكوفاراد ±20% (472 ميجا)	1 ميجاهرتز، 1 فولت RMS
المقاومة المكافئة التسلسلية عند 1 ميجاهرتز	أقل من 50 ملي أوم	25 ° C
محاثة الحلقة (وتر E40)	أقل من 8 نانوهيدروجين	تباعد طرفي 40 مم
مقاومة العزل	أعلى من 10 جيجا أوم عند 500 فولت تيار مستمر	25 درجة مئوية، 60% رطوبة نسبية
نطاق درجة حرارة	40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية	سلسلة IEC 60068-2
قدرة نبض dv/dt	أعلى من 50 كيلو فولت/ميكروثانية	عند الجهد المقدر

5. مكثفات HVC للوحات المعرضة للأشعة فوق البنفسجية

ثلاثة خصائص تحدد ما إذا كان المكثف يُحسّن هامش التسرب أم يُضعفه: شكل الجسم، والتركيب الكيميائي للسطح، والفقد. تُصنّع شركة HVC أجزاء N4700 التي تُراعي هذه الخصائص الثلاث.

ستة معايير مهمة هنا

• تتميز الأجسام القرصية والأجسام من نوع المسمار 441 بمسارات سطحية طويلة من طرف إلى طرف، لذا فإن الجسم يضيف إلى زحف اللوحة بدلاً من استهلاكه.
• إن مادة N4700 (T3M) من تيتانات السترونتيوم ذات السطح الزجاجي الكثيف تمتص رطوبة ضئيلة، مما يحافظ على مقاومة سطح الجسم عالية في الخزانة الرطبة.
• tanδ عند أو أقل من 0.1٪ عند 1 كيلو هرتز يحافظ على برودة الجسم، لذلك لا يؤدي أبدًا إلى دفع الطبقة المحلية إلى درجة حرارة التفحم 300 درجة مئوية.
• يؤدي انخفاض التفريغ الجزئي إلى أقل من 5 بيكو كولوم عند 1.2 ضعف الجهد المقنن إلى إزالة التآكل الثلاثي الذي يؤدي عادةً إلى فتح الحفرة الأولى عند موضع المكثف.
• ±30 جزء في المليون/درجة مئوية ونطاق كامل من 1 كيلو فولت إلى 100 كيلو فولت يحافظ على نفس تصميم الزحف والتخليص عبر مراحل التشغيل والموازنة والتصفية.
• التحقق الميداني: تم استبدال مكثف من نوع لولبي HVC 40 kV / 441 بمكثف من علامة تجارية من الدرجة الأولى في برامج الخدمة الميدانية للجهد العالي، ويتطابق نفس التصميم مع المعايير الكهربائية لـ VISHAY نطاقات HVCC و KEMET ذات الأسلاك الشعاعية.

التوصيل والدعم

يتم شحن القطع القياسية خلال 4-8 أسابيع، والمجموعات المتطابقة خلال 6-10 أسابيع. يقوم فريق هندسة تطبيقات HVC بمراجعة بنية اللوحة، ونقاط الجهد، وإجراءات الصيانة للموقع.

أرسل قيم جهد العقد، وتدفق الأشعة فوق البنفسجية على اللوحة، ورسمًا تخطيطيًا للزحف الكهربائي، وطريقة التنظيف. ستُعيد شركة HVC مخططًا للزحف الكهربائي، ومجموعة مكثفات ذات زحف كهربائي مطابق، وعينات معتمدة من PD لاختبارات التقادم بالأشعة فوق البنفسجية في غضون أسبوعين.

6. أسئلة مكررة

س1: لماذا يجتاز مجلس الإدارة اختبار الكفاءة ثم يفشل بعد عام؟

لأن جهاز قياس المقاومة العالية (Hipot) يقيس مقاومة اللوحة التي صُنع عليها. تنخفض المقاومة السطحية من عقد إلى ثلاثة عقود خلال سنة إلى ثلاث سنوات من التعرض للأشعة فوق البنفسجية، لذا يرتفع تيار التسريب عند 10 كيلو فولت من بضعة ميكروأمبيرات إلى مئات. لا يستطيع جهاز قياس المقاومة العالية في المصنع رصد هذا التغير.

س2: ما مقدار الزحف الإضافي الذي تحتاجه خدمة الأشعة فوق البنفسجية؟

اضرب قيمة الجدول IEC 60664 في 1.5-2 مرة لدرجة التلوث 3 مع عامل الأشعة فوق البنفسجية. عند 10 كيلو فولت، يتحول مسار السطح من 25-30 مم إلى 50-60 مم، ويزداد زمن التتبع مع مربع تلك المسافة.

س3: ما الذي يمكن شراؤه بفتحة 5 مم؟

يؤدي ذلك إلى مضاعفة مسار السطح عبر الفجوة، مما يزيد وقت التتبع بمقدار أربعة أضعاف تقريبًا. كما أن الفتحة تقطع طبقة الفيلم التي تحمل التسريب، ولهذا السبب يُعدّ الأخدود المحفور أفضل من زيادة مسافة قناع اللحام.

س4: أي تحذير يأتي أولاً، التسرب أم التفريغ الجزئي؟

التسريب. يقوم مقاوم أخذ العينات 10-100 ميجا أوم في مصدر التشغيل بتسجيل الاتجاه قبل أشهر من التفريغ الأول، ويُعد تضاعف القيمة خلال ستة أشهر دليلاً كافياً لإعادة طلاء المنطقة.

س5: ما مقدار التسرب الكهربائي الذي يجب أن يكون موجودًا في جسم المكثف؟

حدد مسافة زحف لا تقل عن 20 مم على جسم المكثف لفئة 10 كيلو فولت. إذا كانت المسافة أقل من ذلك، تصبح فجوة الأطراف أقصر مسار في التصميم مع مرور الوقت على سطح اللوحة.

س6: هل يحل الطلاء المطابق محل هامش الزحف؟

لا. يزيد الطلاء مقاومة السطح بنحو 100 ضعف ويمنع دخول الغبار، ومع ذلك لا يزال من الضروري مراعاة المسافة المحددة أسفله. صمم المسافة أولاً، ثم قم بطلاء السطح.

7. المراجع

1. إي. كوفيل، دبليو إس زينجل، جيه. كوفيل، أساسيات هندسة الجهد العالي، الطبعة الثانية، نيونس، 2000.
2. ن. موهان، تي إم أونديلاند، دبليو بي روبنز، إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة، وايلي، 3.
3. إشعار رقم 2 من MIL-HDBK-217F، التنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونية، 1995.
4. IEC 60384-1: 2018 ، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 1: المواصفات العامة.
5. IEC 60664-1: 2020 ، تنسيق العزل للمعدات ضمن أنظمة التغذية ذات الجهد المنخفض - الجزء 1: المبادئ والمتطلبات والاختبارات، الطبعة الثالثة. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2020.
6. واي. غاو، إكس. ليانغ، دبليو. باو، سي. وو، وإس. لي، تحليل فشل عازل مركب قابل للكسر الهش في المجال: توصيف بواسطة تحليل مطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية، الجهد العالي، المجلد 4، العدد 2، الصفحات 89-96، 2019. https://doi.org/10.1049/hve.2018.5084.
7. ف. بيليايف، نموذج الوميض السطحي للعازل في الفراغ، في وقائع المؤتمر الدولي الثامن عشر حول التفريغات والعزل الكهربائي في الفراغ (ISDEIV)، الصفحات 151-154، 1998. https://doi.org/10.1109/deiv.1998.740596.
8. الولايات المتحدة 8,570,711 ، مكون إلكتروني خزفي متعدد الطبقات (كبح التفريغ القوسي لمكثفات MLCCs من 1 إلى 5 كيلو فولت)، شركة سامسونج للإلكتروميكانيكا المحدودة، مُنحت عام 2013، https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
9. MIL-PRF-49470D، مكثف ثابت، عازل خزفي، مزود طاقة بوضع التبديل (للأغراض العامة ومستقر حرارياً)، موثوقية قياسية وموثوقية عالية، مواصفات عامة لـواشنطن العاصمة: وزارة الدفاع الأمريكية، 2017.
10. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com