一, Tantangan inti dan mode kegagalan isolasi listrik
1. Degradasi isolasi disebabkan oleh faktor lingkungan
Kelembapan tinggi: Ketika kelembapan melebihi 85% RH, molekul air membentuk jalur konduktif pada permukaan bahan insulasi, mengakibatkan penurunan resistansi insulasi lebih dari 50%.
Siklus suhu: Pada perbedaan suhu -40 derajat hingga+85 derajat, perbedaan koefisien muai panas material dapat menyebabkan retakan mikro, sehingga mengurangi jarak rambat sebesar 30%.
Polusi kimia: Zat korosif seperti semprotan garam dan noda minyak dapat merusak lapisan insulasi, mengurangi ketahanan permukaan hingga 1/10 dari nilai awalnya dalam waktu 24 jam.
2. Mode Kegagalan Khas
Kerusakan listrik: Pada tegangan di atas 500V, titik lemah (seperti penyolderan pin) mengalami kerusakan seketika, sehingga melepaskan panas dalam jumlah besar.
Creepage corrosion: The conductive channel formed along the insulation surface continues to develop under high voltage difference (>1000V/mm), yang pada akhirnya menyebabkan korsleting.
Akumulasi statis: Listrik statis (hingga 15kV) yang dihasilkan oleh gesekan atau induksi dapat menembus perangkat sensitif seperti MOSFET, sehingga menyebabkan kerusakan permanen.
2, Persyaratan Seleksi dan Kinerja Bahan Isolasi
1. Bahan insulasi dasar
Substrat PCB: Bahan FR-4 (tahan tegangan lebih besar dari atau sama dengan 20kV/mm) atau PTFE (tahan suhu 260 derajat), dan papan fenolik berbasis kertas (tahan tegangan hanya 5kV/mm) harus dihindari.
Perekat penyegel: menggunakan resin epoksi dua-komponen (seperti EPON 828), dengan resistivitas volume 1 × 10 ¹⁵Ω· cm dan kisaran ketahanan suhu -60 derajat hingga+180 derajat .
Gasket insulasi: Pilih film polimida (PI) (ketebalan 0,1 mm, tahan tegangan 10kV), dengan konstanta dielektrik stabil (3,4-3,6) dan tangen rugi-rugi<0.005.
2. Bahan lingkungan khusus
Lapisan tahan lembab: Semprotkan tiga cat tahan (seperti Humisay 1B31) pada permukaan PCB, dengan tingkat penyerapan air kurang dari 0,1%, yang dapat meningkatkan ketahanan isolasi sebesar 2 kali lipat.
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 detik (standar IEC 60112).
Conductive shielding layer: In severe electromagnetic interference scenarios, copper foil shielding (thickness 0.1mm, shielding effectiveness>80dB@1GHz )Pastikan koneksi yang andal dengan kabel ground.
3, Skema optimasi isolasi dalam desain struktural
1. Jarak rambat dan jarak listrik
Standar keselamatan: Mengikuti IEC 60664-1, jarak rambat untuk tingkat polusi 3 (lingkungan industri) pada tegangan kerja 240V harus lebih besar dari atau sama dengan 3,2 mm, dan jarak bebas listrik harus lebih besar dari atau sama dengan 2,0 mm.
Langkah-langkah optimasi:
Atur slot isolasi (lebar Lebih besar dari atau sama dengan 1 mm, kedalaman Lebih besar dari atau sama dengan 0,5 mm) di sekitar pin-tegangan tinggi
Menggunakan komponen SMD alih-alih-komponen lubang untuk mengurangi panjang paparan pin
Pasang pita pelindung (lebar Lebih Besar dari atau sama dengan 2mm) di tepi PCB untuk mencegah pelepasan tepi
2. Desain pembumian dan pelindung
Pembumian titik tunggal: Isolasi manik magnetik digunakan di persimpangan sirkuit analog dan digital untuk menghindari gangguan loop tanah.
Perawatan lapisan pelindung:
Cangkang logam perlu melakukan kontak yang andal dengan bidang dasar PCB melalui pelat pegas (resistansi kontak<10m Ω)
Tingkat cakupan lapisan jalinan kabel berpelindung harus lebih besar dari atau sama dengan 90%, dan proses crimping 360 derajat harus digunakan untuk terminasi.
3. Dampak desain termal pada isolasi
Jalur pembuangan panas: Pastikan unit pendingin berada pada jarak lebih dari atau sama dengan 5 mm dari area bertegangan tinggi, atau gunakan bantalan termal berinsulasi (seperti Bergquist GAP Pad) untuk mengisolasinya.
Pemantauan suhu: Pasang termistor NTC di dekat komponen utama seperti IC driver lampu latar untuk memicu perlindungan penurunan daya ketika suhu melebihi 85 derajat.
4, Titik kontrol utama dari proses instalasi
1. Pengelasan dan Pembersihan
Penyolderan bebas timbal: Menggunakan paduan Sn Ag Cu (titik leleh 217 derajat) untuk menghindari penurunan kinerja insulasi yang disebabkan oleh kontaminasi timbal.
Residu fluks: Gunakan fluks non pembersih atau gunakan pembersihan ultrasonik (frekuensi 40kHz, waktu 3 menit) setelah penyolderan untuk memastikan residu ion<1.5 μ g/cm ².
2. Fiksasi mekanis
Sekrup isolasi: Gunakan bahan PA66+30% GF (tahan tegangan 15kV) untuk menghindari penggunaan sekrup logam yang menembus langsung ke PCB.
Kontrol tekanan: Kontrol tekanan tetap (0,5-0,7N · m) melalui kunci momen untuk mencegah tekanan berlebihan yang menyebabkan deformasi paking insulasi.
3. Proses penyegelan
Degassing vakum: Sebelum menyegel, proses vakum koloid (tekanan<10kPa, time 10 minutes) to eliminate local insulation weakness caused by bubbles.
Kontrol pengawetan: Resin epoksi dua komponen perlu diawetkan pada suhu 25 derajat selama 24 jam, atau dikeringkan dengan panas (80 derajat /2 jam) untuk meningkatkan kepadatan ikatan silang.
5, pengujian dan verifikasi kinerja isolasi
1. Pengujian rutin
Uji resistansi isolasi: Gunakan megohmmeter 500V DC, dan nilai terukur harus lebih besar dari atau sama dengan 100M Ω (standar IEC 60529).
Uji ketahanan tegangan: Terapkan 1500V AC (1 menit) atau 2121V DC (1 detik), dan arus bocor harus<5mA (UL 60950 standard).
2. Pengujian simulasi lingkungan
Uji panas lembab: Setelah ditempatkan di lingkungan 85 derajat /85% RH selama 96 jam, tingkat penurunan resistansi isolasi harus kurang dari 50%.
Uji semprotan garam: bila terkena lingkungan semprotan larutan NaCl 5% selama 48 jam, tidak ada produk korosi di permukaan.
Perputaran suhu: Lakukan 20 siklus antara -40 derajat dan+85 derajat tanpa penurunan kinerja insulasi secara permanen.
3. Verifikasi keandalan jangka panjang
Uji umur yang dipercepat: Setelah pengoperasian terus menerus selama 1000 jam pada suhu 60 derajat, RH 85%, dan tegangan pengenal 1,2 kali, tingkat kegagalan harus kurang dari 0,1%.
Pengujian HALT: Identifikasi kelemahan desain melalui kondisi ekstrem seperti perubahan suhu yang cepat (-55 derajat hingga+125 derajat /mnt) dan getaran acak (50g RMS).
6, Kasus aplikasi yang umum
Dalam sistem kontrol platform pengeboran minyak tertentu, LCD instrumen perlu bekerja secara stabil di lingkungan yang terkontaminasi minyak 120 derajat. Dengan menerapkan langkah-langkah berikut:
Menggunakan paking insulasi film tipis PI (ketebalan 0,2 mm, tahan suhu 300 derajat)
Spray nano coating on the surface of PCB (contact angle>150 derajat ) untuk mencegah noda minyak menempel
Karet silikon (Shore A 30, tahan suhu -60 derajat hingga+200 derajat ) digunakan untuk penyegelan
Diverifikasi oleh "Uji Korosi Kabut Minyak" dalam standar IEC 60068-2-64
Sistem telah berjalan terus menerus selama 5 tahun, dengan resistansi isolasi selalu dijaga di atas 500M Ω dan tidak terjadi gangguan listrik atau gangguan rambat.
