一, 전기 절연의 핵심 과제와 고장 모드
1. 환경적 요인에 의한 절연열화
높은 습도: 습도가 85%RH를 초과하면 물 분자가 단열재 표면에 전도성 경로를 형성하여 절연 저항이 50% 이상 감소합니다.
온도 주기: -40도 ~+85 도의 온도 차이에서 재료의 열팽창 계수 차이로 인해 미세 균열이 발생하여 연면 거리가 30% 감소할 수 있습니다.
화학적 오염: 염수 분무, 기름 얼룩 등의 부식성 물질은 절연층을 손상시켜 24시간 이내에 표면 저항력이 초기 값의 1/10로 감소할 수 있습니다.
2. 일반적인 고장 모드
전기적 고장: 500V 이상의 전압에서는 취약한 부분(핀 납땜 등)이 순간적으로 고장나고 많은 양의 열이 방출됩니다.
Creepage corrosion: The conductive channel formed along the insulation surface continues to develop under high voltage difference (>1000V/mm), 결국 단락이 발생합니다.
정전기 축적: 마찰이나 유도에 의해 생성된 정전기(최대 15kV)는 MOSFET과 같은 민감한 장치에 침투하여 영구적인 손상을 일으킬 수 있습니다.
2, 단열재의 선택 및 성능 요구 사항
1. 기초 단열재
PCB 기판: FR-4(내전압 20kV/mm 이상) 또는 PTFE(내온도 260도) 재질이 선호되어야 하며, 종이 기반 페놀 보드(내전압 5kV/mm만)는 피해야 합니다.
밀봉 접착제: 2액형 에폭시 수지(예: EPON 828) 사용, 체적 저항률 1 × 10 1⁵Ω·cm 및 온도 저항 범위 -60도 ~+180도.
절연 개스킷 : 폴리이미드(PI) 필름(두께 0.1mm, 내전압 10kV)을 선택하고 유전율(3.4~3.6)과 손실 탄젠트가 안정적임<0.005.
2. 특수환경자재
방습 코팅: PCB 표면에 3중 방수 페인트(Humisay 1B31 등)를 분사하면 수분 흡수율이 0.1% 미만으로 절연 저항이 2배 증가할 수 있습니다.
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>180초(IEC 60112 표준).
Conductive shielding layer: In severe electromagnetic interference scenarios, copper foil shielding (thickness 0.1mm, shielding effectiveness>80dB@1GHz ) 접지선과의 안정적인 연결을 보장합니다.
3, 구조 설계의 단열 최적화 방식
1. 연면거리 및 전기적 공간거리
안전 표준: IEC 60664-1에 따라 240V 작동 전압에서 오염도 3(산업 환경)에 대한 연면 거리는 3.2mm 이상이어야 하며 전기 간격은 2.0mm 이상이어야 합니다.
최적화 조치:
고전압 핀 주위에 절연 슬롯(폭 1mm 이상, 깊이 0.5mm 이상)을 설정합니다.{2}}
핀 노출 길이를 줄이기 위해 스루홀 구성요소 대신 SMD 구성요소 사용-
가장자리 방전을 방지하기 위해 PCB 가장자리에 보호 테이프(폭 2mm 이상)를 부착합니다.
2. 접지 및 차폐 설계
단일 지점 접지: 접지 루프 간섭을 피하기 위해 아날로그 및 디지털 회로의 접합부에서 자기 비드 절연이 사용됩니다.
차폐층 처리:
금속 쉘은 스프링 플레이트를 통해 PCB 접지면과 안정적으로 접촉해야 합니다(접촉 저항).<10m Ω)
차폐케이블 편조층의 피복률은 90% 이상이어야 하며, 종단을 위해 360도 압착 공정을 사용해야 합니다.
3. 단열재에 대한 열 설계의 영향
열 방출 경로: 방열판이 고전압 영역에서 5mm 이상 떨어진 곳에 있는지 확인하거나 절연 열 패드(예: Bergquist GAP 패드)를 사용하여 절연합니다.
온도 모니터링: 백라이트 드라이버 IC와 같은 주요 구성 요소 근처에 NTC 서미스터를 설치하여 온도가 85도를 초과할 때 경감 보호를 트리거합니다.
4, 설치 과정의 주요 제어 포인트
1. 용접 및 청소
무연 납땜: 납 오염으로 인한 절연 성능 저하를 방지하기 위해 Sn Ag Cu 합금(융점 217도)을 사용합니다.
플럭스 잔류물 : 이온 잔류물을 확보하기 위해 납땜 후 비세정 플럭스를 사용하거나 초음파 세척(주파수 40kHz, 시간 3분)을 사용합니다.<1.5 μ g/cm ².
2. 기계적 고정
절연 나사: 금속 나사를 사용하여 PCB를 직접 관통하는 것을 방지하기 위해 PA{0}}% GF 재질(내압 15kV)을 사용합니다.
압력조절 : 토크렌치를 통해 고정압력(0.5~0.7N·m)을 조절하여 과도한 압력이 절연가스켓의 변형을 일으키는 것을 방지한다.
3. 밀봉 공정
진공 탈기: 밀봉하기 전에 콜로이드를 진공 처리합니다(압력<10kPa, time 10 minutes) to eliminate local insulation weakness caused by bubbles.
경화 제어: 2액형 에폭시 수지는 가교 밀도를 높이기 위해 25도에서 24시간 동안 경화하거나 열 경화(80도/2시간)해야 합니다.
5, 절연 성능 테스트 및 검증
1. 정기 테스트
절연 저항 테스트: 500V DC 절연저항계를 사용하고 측정값은 100M Ω 이상이어야 합니다(IEC 60529 표준).
내전압 시험 : 1500V AC(1분) 또는 2121V DC(1초)를 인가하고 누설전류는 다음과 같아야 한다.<5mA (UL 60950 standard).
2. 환경 시뮬레이션 테스트
습열 테스트: 96시간 동안 85도/85% RH 환경에 배치한 후 절연 저항 저하율이 50% 미만이어야 합니다.
염수 분무 테스트: 5% NaCl 용액 분무 환경에 48시간 노출 시 표면에 부식 생성물이 발생하지 않습니다.
온도 사이클링: 절연 성능의 영구적인 저하 없이 -40도에서 +85도 사이에서 20사이클을 수행합니다.
3. 장기 신뢰성 검증
가속 수명 테스트: 60도, 85% RH, 정격 전압의 1.2배에서 1000시간 동안 연속 작동한 후 고장률이 0.1% 미만이어야 합니다.
HALT 테스트: 급격한 온도 변화(-55도 ~+125도/분) 및 무작위 진동(50g RMS)과 같은 극한 조건을 통해 설계 약점을 식별합니다.
6, 일반적인 적용 사례
특정 석유 시추 플랫폼의 제어 시스템에서 계기 LCD는 120도의 석유 오염 환경에서 안정적으로 작동해야 합니다. 다음 조치를 시행합니다.
PI박막 절연 가스켓 사용 (두께 0.2mm, 내열성 300도)
Spray nano coating on the surface of PCB (contact angle>150도) 기름 얼룩이 붙는 것을 방지합니다.
밀봉에는 실리콘 고무(Shore A 30, 내열성 -60도 ~+200도)가 사용됩니다.
IEC 60068-2-64 표준의 "오일 미스트 부식 테스트"로 검증됨
이 시스템은 절연 저항이 항상 500M Ω 이상으로 유지되고 전기적 파손이나 연면 결함이 발생하지 않은 상태로 5년 동안 지속적으로 작동되었습니다.
