一、電気絶縁の主要な課題と故障モード
1. 環境要因による絶縁劣化
高湿度: 湿度が 85% RH を超えると、水分子が絶縁材の表面に導電経路を形成し、絶縁抵抗が 50% 以上低下します。
温度サイクル: -40 度から +85 度までの温度差では、材料の熱膨張係数の差により微小亀裂が発生し、沿面距離が 30% 減少する可能性があります。
化学汚染: 塩水噴霧や油汚れなどの腐食性物質は絶縁層を損傷し、表面抵抗が 24 時間以内に初期値の 1/10 に低下する可能性があります。
2. 代表的な故障モード
電気的破壊: 500V を超える電圧では、弱い部分 (ピンのはんだ付けなど) が瞬間的に破壊され、大量の熱が放出されます。
Creepage corrosion: The conductive channel formed along the insulation surface continues to develop under high voltage difference (>1000V/mm）、最終的には短絡を引き起こします。
静電気の蓄積: 摩擦や誘導によって発生した静電気 (最大 15kV) が MOSFET などの敏感なデバイスに侵入し、永久的な損傷を引き起こす可能性があります。
2、断熱材の選定と要求性能
1. 基礎断熱材
PCB 基板: FR-4 (耐電圧 20kV/mm 以上) または PTFE (耐電圧 260 度) 材料を推奨し、紙ベースのフェノール基板 (耐電圧 5kV/mm のみ) は避けてください。
封止接着剤: 2 成分エポキシ樹脂 (EPON 828 など) を使用し、体積抵抗率は 1 × 10¹⁵Ω・cm、耐熱温度範囲は -60 度から +180 度です。
絶縁ガスケット：比誘電率（3.4～3.6）と損失正接が安定したポリイミド（PI）フィルム（厚さ0.1mm、耐電圧10kV）を選定<0.005.
2. 環境に配慮した特殊素材
防湿コーティング：プリント基板表面に吸水率0.1%未満のスリープルーフペイント（ヒューミセイ1B31など）をスプレーすることで、絶縁抵抗を2桁向上させることができます。
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秒（IEC 60112規格）。
Conductive shielding layer: In severe electromagnetic interference scenarios, copper foil shielding (thickness 0.1mm, shielding effectiveness>80dB@1GHz )アース線と確実に接続してください。
3、構造設計における断熱最適化スキーム
1. 沿面距離と電気的空間距離
安全規格: IEC 60664-1 に従い、動作電圧 240V における汚染レベル 3 (産業環境) の沿面距離は 3.2mm 以上でなければならず、電気的空間距離は 2.0mm 以上でなければなりません。
最適化対策:
高電圧ピンの周囲に絶縁スロット（幅 1 mm 以上、深さ 0.5 mm 以上）を設定します。-
スルーホール コンポーネントの代わりに SMD コンポーネントを使用して、ピンの露出長さを短縮します。{0}
エッジ放電を防ぐため、基板の端に保護テープ（幅2mm以上）を貼り付けてください。
2. 接地およびシールド設計
単一点接地: アナログ回路とデジタル回路の接合部に磁気ビーズ絶縁が使用され、接地ループ干渉を回避します。
シールド層処理:
金属シェルは、スプリング プレート (接触抵抗) を介して PCB グランド プレーンと確実に接触する必要があります。<10m Ω)
シールドケーブルの編組層の被覆率は90%以上である必要があり、端末処理には360度圧着プロセスを使用する必要があります。
3. 熱設計が断熱材に及ぼす影響
熱放散経路: ヒートシンクが高電圧領域から 5 mm 以上の距離に保たれていることを確認するか、絶縁サーマル パッド (Bergquist GAP パッドなど) を使用して絶縁してください。-
温度監視: バックライト ドライバ IC などの主要コンポーネントの近くに NTC サーミスタを取り付け、温度が 85 度を超えた場合にディレーティング保護をトリガーします。
4、インストールプロセスの主要な管理ポイント
1. 溶接と洗浄
鉛フリーはんだ：Sn Ag Cu 合金（融点 217 度）を使用し、鉛汚染による絶縁性能の低下を防ぎます。
フラックス残留物: イオン残留物を確保するために、はんだ付け後に非洗浄フラックスを使用するか、超音波洗浄 (周波数 40kHz、時間 3 分) を使用してください。<1.5 μ g/cm ².
2. 機械的固定
絶縁ネジ: PA66+30% GF 材料 (耐電圧 15kV) を使用し、PCB を直接貫通する金属ネジの使用を避けます。
圧力制御：過大な圧力による絶縁ガスケットの変形を防ぐため、トルクレンチで一定の圧力（0.5～0.7N・m）を制御します。
3. 封止工程
真空脱泡：封止前にコロイドを真空処理（圧力）<10kPa, time 10 minutes) to eliminate local insulation weakness caused by bubbles.
硬化制御: 2液性エポキシ樹脂は、架橋密度を高めるために25度で24時間硬化するか、加熱硬化(80度/2時間)する必要があります。
5、絶縁性能試験・検証
1. 定期テスト
絶縁抵抗試験: 500V DC 絶縁抵抗計を使用し、測定値が 100M Ω 以上である必要があります (IEC 60529 規格)。
耐電圧試験：AC1500V（1分間）またはDC2121V（1秒）を印加し、漏れ電流が以下であること。<5mA (UL 60950 standard).
2. 環境模擬試験
湿熱試験：85℃/85%RHの環境に96時間放置後の絶縁抵抗低下率が50%未満であること。
塩水噴霧試験: 5% NaCl 溶液噴霧環境に 48 時間曝露しても、表面に腐食生成物はありません。
温度サイクル: -40 度から +85 度の間で 20 サイクルを実行しますが、断熱性能は永続的に低下しません。
3. 長期信頼性の検証
加速寿命試験：60度、相対湿度85%、定格電圧の1.2倍で1000時間連続運転した後、故障率は0.1%未満である必要があります。
HALT テスト: 急激な温度変化 (-55 度から +125 度/分) やランダムな振動 (50g RMS) などの極端な条件を通じて設計の弱点を特定します。
6、代表的な応用例
ある石油掘削プラットフォームの制御システムでは、計器用 LCD が 120 度の油汚染環境でも安定して動作する必要があります。以下の対策を実施することで、
PI薄膜絶縁ガスケット使用（厚さ0.2mm、耐熱温度300度）
Spray nano coating on the surface of PCB (contact angle>150度）油汚れの付着防止
シールにはシリコーンゴム（ショアA 30、耐熱温度-60度～+200度）を使用
IEC 60068-2-64規格「オイルミスト腐食試験」にて検証済み
このシステムは 5 年間連続稼働しており、絶縁抵抗は常に 500M Ω 以上に維持されており、電気的破壊や沿面故障は発生していません。
