一, Основные проблемы и виды отказов электроизоляции
1. Деградация изоляции, вызванная факторами окружающей среды.
Высокая влажность: когда относительная влажность превышает 85 %, молекулы воды образуют проводящие пути на поверхности изоляционных материалов, что приводит к снижению сопротивления изоляции более чем на 50 %.
Температурный цикл: при разнице температур от -40 до +85 градусов разница в коэффициенте теплового расширения материала может вызвать микротрещины, уменьшающие путь утечки на 30%.
Химическое загрязнение: Коррозионные вещества, такие как солевые брызги и масляные пятна, могут повредить изоляционный слой, снижая поверхностное сопротивление до 1/10 от первоначального значения в течение 24 часов.
2. Типичные виды отказов
Электрический пробой: при напряжении выше 500 В в слабых местах (например, при пайке контактов) происходит мгновенный пробой с выделением большого количества тепла.
Creepage corrosion: The conductive channel formed along the insulation surface continues to develop under high voltage difference (>1000 В/мм), что в конечном итоге приводит к короткому замыканию.
Накопление статического электричества. Статическое электричество (до 15 кВ), генерируемое трением или индукцией, может проникать в чувствительные устройства, такие как МОП-транзисторы, вызывая необратимые повреждения.
2. Требования к выбору и характеристикам изоляционных материалов.
1. Основные изоляционные материалы
Подложка печатной платы: следует отдавать предпочтение материалам FR-4 (выдерживаемое напряжение больше или равно 20 кВ/мм) или ПТФЭ (выдерживающая температура 260 градусов), а также следует избегать фенольных плат на бумажной основе (выдерживаемое напряжение всего 5 кВ/мм).
Герметизирующий клей: с использованием двух-компонентной эпоксидной смолы (например, EPON 828) с объемным сопротивлением 1 × 10 ¹⁵Ом·см и диапазоном термостойкости от -60 до +180 градусов.
Изоляционная прокладка: выберите пленку из полиимида (PI) (толщина 0,1 мм, выдерживаемое напряжение 10 кВ) со стабильной диэлектрической проницаемостью (3,4–3,6) и тангенса угла потерь.<0.005.
2. Специальные экологические материалы.
Влагостойкое покрытие: распылите тристойкую краску (например, Humisay 1B31) на поверхность печатной платы со степенью водопоглощения менее 0,1%, что может увеличить сопротивление изоляции на 2 порядка.
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 секунд (стандарт IEC 60112).
Conductive shielding layer: In severe electromagnetic interference scenarios, copper foil shielding (thickness 0.1mm, shielding effectiveness>80 дБ при 1 ГГц) Обеспечьте надежное соединение с заземляющим проводом.
3. Схема оптимизации изоляции при проектировании конструкций.
1. Путь утечки и электрический зазор.
Стандарт безопасности: В соответствии со стандартом IEC 60664-1 путь утечки для уровня загрязнения 3 (промышленная среда) при рабочем напряжении 240 В должен быть больше или равен 3,2 мм, а электрический зазор должен быть больше или равен 2,0 мм.
Меры оптимизации:
Установите изоляционные прорези (ширина больше или равна 1 мм, глубина больше или равна 0,5 мм) вокруг контактов высокого-напряжения.
Использование компонентов SMD вместо компонентов со сквозными-отверстиями для уменьшения длины воздействия штифта.
Установите защитную ленту (шириной более или равной 2 мм) по краю печатной платы, чтобы предотвратить выбросы по краям.
2. Конструкция заземления и экранирования.
Одноточечное заземление: магнитная изоляция используется на стыке аналоговых и цифровых цепей, чтобы избежать помех контура заземления.
Обработка защитного слоя:
Металлический корпус должен иметь надежный контакт с заземляющим слоем печатной платы через пружинные пластины (контактное сопротивление<10m Ω)
Степень покрытия плетеного слоя экранированного кабеля должна быть больше или равна 90%, а для заделки следует использовать процесс обжима на 360 градусов.
3. Влияние теплового расчета на изоляцию
Путь рассеивания тепла: убедитесь, что радиатор расположен на расстоянии не менее 5 мм от области высокого-напряжения, или используйте изолирующую термопрокладку (например, Bergquist GAP Pad), чтобы изолировать ее.
Мониторинг температуры: установите термисторы NTC рядом с ключевыми компонентами, такими как микросхемы драйвера подсветки, чтобы активировать защиту от снижения номинальных характеристик, когда температура превышает 85 градусов.
4. Ключевые контрольные точки процесса установки.
1. Сварка и очистка
Бессвинцовая пайка: использование сплава Sn Ag Cu (температура плавления 217 градусов) во избежание ухудшения характеристик изоляции, вызванного загрязнением свинцом.
Остатки флюса: используйте не очищающий флюс или используйте ультразвуковую очистку (частота 40 кГц, время 3 минуты) после пайки, чтобы гарантировать наличие остатков ионов.<1.5 μ g/cm ².
2. Механическая фиксация
Изоляционные винты: используйте материал PA66+30% GF (выдерживает напряжение 15 кВ), чтобы избежать прямого проникновения металлических винтов в печатную плату.
Контроль давления: Контролируйте фиксированное давление (0,5-0,7 Н · м) с помощью динамометрического ключа, чтобы предотвратить деформацию изоляционной прокладки из-за чрезмерного давления.
3. Процесс герметизации
Вакуумная дегазация: перед герметизацией обработайте коллоид вакуумом (давление<10kPa, time 10 minutes) to eliminate local insulation weakness caused by bubbles.
Контроль отверждения: двухкомпонентную эпоксидную смолу необходимо отверждать при температуре 25 градусов в течение 24 часов или отверждать при нагревании (80 градусов/2 часа) для увеличения плотности сшивки.
5. Испытание и проверка характеристик изоляции.
1. Плановое тестирование
Проверка сопротивления изоляции: используйте мегомметр постоянного тока на 500 В; измеренное значение должно быть больше или равно 100 МОм (стандарт IEC 60529).
Испытание на устойчивость к напряжению: подайте напряжение 1500 В переменного тока (1 минута) или 2121 В постоянного тока (1 секунда), ток утечки должен быть<5mA (UL 60950 standard).
2. Тестирование моделирования окружающей среды
Испытание на влажную жару: после помещения в среду с температурой 85 градусов/85% относительной влажности в течение 96 часов скорость падения сопротивления изоляции должна составлять менее 50%.
Испытание на солевой туман: при воздействии 5% раствора NaCl в течение 48 часов на поверхности не остается продуктов коррозии.
Циклическое изменение температуры: выполните 20 циклов при температуре от -40 до +85 градусов без необратимого ухудшения характеристик изоляции.
3. Проверка долгосрочной надежности
Ускоренное испытание на срок службы: после непрерывной работы в течение 1000 часов при температуре 60 градусов, относительной влажности 85 % и напряжении, превышающем номинальное в 1,2 раза, частота отказов должна составлять менее 0,1 %.
Тестирование HALT: выявление слабых мест конструкции в экстремальных условиях, таких как быстрые изменения температуры (от -55 градусов до +125 градусов в минуту) и случайные вибрации (среднеквадратичное значение 50 г).
6, типичные случаи применения
В системе управления определенной нефтяной буровой платформы ЖК-дисплей прибора должен стабильно работать в среде, загрязненной нефтью при температуре 120 градусов. Путем реализации следующих мер:
Использование тонкопленочной изоляционной прокладки PI (толщина 0,2 мм, термостойкость 300 градусов)
Spray nano coating on the surface of PCB (contact angle>150 градусов), чтобы предотвратить прилипание масляных пятен.
Силиконовая резина (шор А 30, термостойкость от -60 до +200 градусов) используется для герметизации.
Проверено «Испытанием на коррозию масляного тумана» по стандарту IEC 60068-2-64.
Система работала непрерывно в течение 5 лет, сопротивление изоляции всегда поддерживалось выше 500 МОм, при этом не возникало никаких электрических пробоев или нарушений утечки.
