ระบบกักเก็บพลังงานระดับโครงข่ายและระดับอุตสาหกรรม — แร็คแบตเตอรี่สำหรับสาธารณูปโภค ระบบกักเก็บพลังงานในตู้คอนเทนเนอร์ (ESS) และระบบกักเก็บพลังงานประจำที่ที่จับคู่กับการผลิตพลังงานหมุนเวียน — กำหนดข้อกำหนดด้านฉนวนแยกที่ผิดปกติให้กับแผงวงจรควบคุม (PCBA) แผงวงจรเหล่านี้ต้องเชื่อมต่อระหว่างชุดแบตเตอรี่แรงดันสูง (บัส DC ช่วง 200V–1500V เป็นเรื่องปกติในแร็คระดับสาธารณูปโภค) กับวงจรควบคุม สื่อสาร และตรวจวัดแรงดันต่ำอย่างสม่ำเสมอ การทำให้ระยะคลานและระยะฉนวนความผิดปกติบนแผงควบคุมไม่ได้เป็นเพียงข้อบกพร่องด้านรูปลักษณ์เท่านั้น แต่เป็นความเสี่ยงต่อการสลายตัวของไดอิเล็กทริกและการเกิดการลัดวงจรแบบอาร์ก ซึ่งอาจปรากฏให้เห็นหลังจากนำไปใช้งานภาคสนามเป็นเดือนหรือเป็นปี
บทความนี้กล่าวถึงการออกแบบฉนวนกันไฟฟ้าและความเสี่ยงในขั้นตอนการประกอบที่เป็นตัวกำหนดว่าแผนผังวงจรและเลย์เอาต์ที่ออกแบบมาอย่างดีจะสามารถแปลงไปเป็นบอร์ดที่เป็นไปตามมาตรฐานและมีความเชื่อถือได้จริงหรือไม่ โดยมีขอบเขตจำกัดเฉพาะคอนโทรลเลอร์ ESS อุตสาหกรรมแบบประจำที่/ผูกกับกริดเท่านั้น ไม่ครอบคลุมถึงระบบจัดการแบตเตอรี่สำหรับยานยนต์ และจัดทำขึ้นสำหรับวิศวกรฮาร์ดแวร์และวิศวกรกระบวนการที่กำลังประเมินการออกแบบหรือผู้รับจ้างประกอบก่อนการผลิต
เหตุใดการออกแบบการแยกส่วนจึงเป็นประเด็นของการประกอบ ไม่ใช่แค่ประเด็นของเลย์เอาต์
ระยะคลานและระยะทางอากาศมักถูกพิจารณาเป็นการตัดสินใจด้านการออกแบบเลย์เอาต์ PCB และโครงสร้างตัวเรือน ซึ่งอยู่ภายใต้มาตรฐานอย่างเช่น IEC 60664-1 (ระบบแรงดันต่ำ) และ IEC 62109 (ตัวแปลงพลังงานสำหรับระบบโฟโตโวลตาอิก และโดยการขยายความ ใช้ประยุกต์อย่างกว้างขวางกับอิเล็กทรอนิกส์กำลังสำหรับระบบกักเก็บพลังงานแบบประจำที่) มาตรฐานทั้งสองฉบับกำหนดระยะห่างขั้นต่ำเป็นฟังก์ชันของ:
แรงดันไฟฟ้าทำงานข้ามฉนวนแยก
ระดับมลพิษของสภาพแวดล้อมการใช้งาน (ตู้ ESS ส่วนใหญ่เป็นมลภาวะระดับ 2 เป็นตู้ปิดผนึก; การออกแบบแบบระบายอากาศบางแบบอยู่ในมลภาวะระดับ 3)
กลุ่มวัสดุของลามิเนตแผ่นวงจรพิมพ์ โดยอ้างอิงตามดัชนีการทนต่อการลุกลามของกระแสไฟฟ้า (CTI)
ประเภทฉนวน— เชิงการใช้งาน ขั้นพื้นฐาน เสริม หรือเสริมความแข็งแรง
ที่แรงดันทำงานซึ่งพบได้ทั่วไปในฉนวนกั้นของตัวควบคุม ESS (จุดอ้างอิงไดรฟ์เกตแบบแยกส่วน ทรานซีฟเวอร์ CAN/RS-485 แบบแยกส่วน แหล่งจ่ายไฟไบแอส DC-DC แบบแยกส่วน) ตารางใน IEC 60664-1 โดยทั่วไปจะกำหนดระยะเคลียร์รันซ์ขั้นต่ำให้อยู่ในระดับไม่กี่มิลลิเมตรสำหรับฉนวนพื้นฐานที่ระดับมลภาวะ 2 โดยมีระยะคลีเพจมากกว่าระยะเคลียร์รันซ์เล็กน้อยที่แรงดันเดียวกัน เนื่องจากระยะคลีเพจต้องคำนึงถึงค่า CTI ของวัสดุบอร์ดด้วย ฉนวนเสริม — ซึ่งจำเป็นในกรณีที่ความขัดข้องเพียงจุดเดียวอาจทำให้ผู้ปฏิบัติงานสัมผัสกับแรงดันอันตรายได้ — โดยทั่วไปจะต้องเพิ่มระยะห่างที่ต้องการเป็นสองเท่าเมื่อเทียบกับฉนวนพื้นฐานที่แรงดันทำงานเดียวกัน ทีมออกแบบควรดึงค่าจากตารางที่ถูกต้องสำหรับแรงดันทำงาน ระดับมลภาวะ และกลุ่มวัสดุเฉพาะของตนโดยตรงจากมาตรฐาน IEC 60664-1 ฉบับปัจจุบัน แทนที่จะอ้างอิงจากค่าประมาณทั่วไป เนื่องจากค่าที่กำหนดในตารางจะเปลี่ยนแบบไม่เป็นเชิงเส้นตามช่วงของแรงดันไฟฟ้า
ข้อกำหนดด้านการจัดวางที่การประกอบขึ้นอยู่กับ
เลย์เอาต์สามารถระบุค่าระยะคืบ/ระยะเคลียร์ที่ถูกต้องบนกระดาษได้ แต่ก็ยังอาจล้มเหลวในการผลิตหากไม่ได้จัดให้มี:
ช่องแยกหรือคูน้ำที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน— ช่องว่างที่ถูกกัดหรือกัดเซาะผ่านเนื้อวัสดุของแผ่น PCB ไม่ใช่แค่บริเวณที่ไม่มีทองแดง สำหรับฉนวนเสริมแรงในกรณีที่ต้องหยุดยั้งการลัดวงจรแบบผิวหน้า (surface tracking) บนแผ่นลามิเนตเอง
เขตห้ามวางชิ้นส่วนรอบ ๆ สิ่งกีดขวางที่มีขนาดเท่ากับสูงที่สุดพื้นที่ติดตั้งของคอมโพเนนต์ ไม่ใช่แค่เส้นรอบนอกของตัวมัน
ข้อกำหนดความกว้างของแนวกั้นมาส์กบัดกรีระบุไว้โดยชัดเจนบนแบบวาดของโรงงานผลิต เนื่องจากช่องหน้ากากมาตรฐานไม่ได้ถูกกำหนดขนาดโดยคำนึงถึงการแยกตัว
จุดเสี่ยงในขั้นตอนการประกอบ
เจตนาการจัดวางจะมีผลก็ต่อเมื่อการประกอบและการปฏิบัติงานคงไว้ซึ่งการจัดวางนั้น จุดเสี่ยงสามประการที่เกิดซ้ำบนฉนวนกั้นการแยกตัวของคอนโทรลเลอร์ ESS ได้แก่:
ขนาดช่องเปิดซอลเดอร์มาสก์เทียบกับระยะคลานที่มีผล
ระยะคลานวัดตามแนวเส้นทางที่สั้นที่สุดบนพื้นผิวฉนวนระหว่างส่วนที่เป็นสื่อนำไฟฟ้าสองส่วน — และซอลเดอร์มาสก์ถือเป็นส่วนหนึ่งของพื้นผิวนั้น ช่องเปิดมาสก์ที่มีขนาดใหญ่เกินไปบริเวณแพดใกล้ขอบเขตฉนวนสามารถทำให้ทองแดงเปลือยถูกเปิดเผยใกล้กับแนวกั้นมากกว่าที่เลย์เอาต์ตั้งใจไว้ ซึ่งจะทำให้ระยะคลานจริงในโลกความเป็นจริงสั้นกว่าค่าที่ออกแบบไว้ แม้ว่าระยะห่างทองแดงต่อทองแดงบนเลเยอร์เองจะถูกต้องก็ตาม แบบฟอร์มการผลิตสำหรับบอร์ดที่มีความสำคัญด้านฉนวนควรกำหนดค่าความเผื่อของช่องเปิดมาสก์ที่แนวกั้นอย่างชัดเจน และการตรวจสอบชิ้นงานตัวอย่างแรกควรตรวจสอบการลงทะเบียนของมาสก์ที่โซนฉนวนโดยเฉพาะ — ไม่ใช่เพียงแค่ที่แพดของชิ้นส่วนระยะพิชช์ละเอียด ซึ่งโดยปกติแล้วจะเป็นจุดที่ให้ความสำคัญในการตรวจสอบการลงทะเบียนเป็นค่าเริ่มต้น
ความแม่นยำในการจัดวางชิ้นส่วนฉนวน
ออปโตคัปเปลอร์และโมดูล DC-DC แบบแยกวงจรมาพร้อมกับค่าพิกัดครีพเพจ/เคลียร์รันซ์ภายในของตัวเอง แต่ค่าพิกัดเหล่านั้นจะยังคงถูกคงไว้ได้ก็ต่อเมื่อมีการวางและบัดกรีชิ้นส่วนโดยไม่มีสะพานประสานลัดผ่านช่องแยกฉนวน หรือการเยื้องตำแหน่งขาของชิ้นส่วนที่ทำให้ระยะเคลียร์รันซ์ในระดับแผ่นวงจรลดลงเมื่อเทียบกับลายวงจรที่อยู่ติดกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งออปโตคัปเปลอร์ที่ได้รับการจัดอันดับด้านฉนวนกันไฟฟ้ามักใช้โครงขา (lead frame) ที่แนวกั้นภายในจะครอบคลุมเพียงความกว้างของตัวแพ็กเกจเท่านั้น การเลื่อนมุมการวางชิ้นส่วน หรือการที่มีตะกั่วบัดกรีไหลย้อนขึ้นไปตามขาเข้าใกล้ตัวแพ็กเกจมากเกินไป อาจสร้างเส้นทางการลัดวงจรที่ไม่มีการออกแบบเลย์เอาต์ PCB ที่ถูกต้องแบบใดสามารถป้องกันได้ การจ่ายประสานแบบเจ็ตของ Mycronic สำหรับการอัดเติมใต้ชิ้นส่วนหรือการเคลือบป้องกันแบบบางการใช้งานกับคอมโพเนนต์ฉนวนจะได้ประโยชน์จากความแม่นยำที่สูงในการควบคุมปริมาตรและตำแหน่ง เนื่องจากการไหลของอันเดอร์ฟิลที่แทรกผ่านช่องว่างฉนวนอาจทำหน้าที่เป็นเส้นทาง CTI ต่ำกว่าที่ออกแบบไว้
การเลื่อนตำแหน่งของชิ้นส่วนที่เกิดจากกระบวนการรีโฟลว์
ส่วนประกอบฉนวนที่อยู่ใกล้ขอบของแบร์ริเออร์มีความไวต่อการเลื่อนตำแหน่งระหว่างการรีโฟลว์มากกว่าชิ้นส่วนพาสซีฟทั่วไป เนื่องจากการเลื่อนในแนวระนาบเพียงเล็กน้อยก็สามารถทำให้ช่องว่างแคบลงอย่างเห็นได้ชัด เมื่อมาร์จินของการออกแบบเหนือค่าขั้นต่ำตามมาตรฐาน IEC มีอยู่น้อยอยู่แล้ว การควบคุมโปรไฟล์การรีโฟลว์บนเตา JTR-1200D-N ที่มีความสม่ำเสมอของอุณหภูมิระหว่างโซนที่เข้มงวด ช่วยลดแรงเปียกตัวแบบไม่สมดุลที่ทำให้เกิดการเลื่อน แต่จุดควบคุมที่ตรงกว่าอยู่ที่การตรวจสอบหลังการรีโฟลว์ ไม่ใช่การปรับแต่งโปรไฟล์เพียงอย่างเดียว
3D AOI ในฐานะจุดตรวจสอบฉนวนป้องกัน
3D AOIเป็นชั้นการตรวจจับเชิงปฏิบัติสำหรับข้อบกพร่องในโซนแยกตัวที่การถ่ายภาพแบบ 2 มิติ มักตรวจไม่พบ:
การรุกล้ำของลูกบอลบัดกรีเข้าสู่ช่องว่างฉนวน— ระบบ AOI แบบ 2D อาจบันทึกทรงกลมบัดกรีที่หลุดออกมาเป็นสัญญาณรบกวนพื้นหลัง หากมันอยู่นอกบริเวณแพดโดยตรง; ข้อมูลความสูงแบบ 3D จะระบุวัตถุที่เป็นสื่อนำไฟฟ้าซึ่งยกตัวขึ้นใด ๆ ภายในโพลิกอนเขตห้ามวางที่กำหนดไว้ ไม่ว่ามันจะอยู่ห่างจากแพดที่ใกล้ที่สุดแค่ไหนก็ตาม
การเชื่อมต่อข้ามขาออปโตคัปเปลอร์— ข้อมูลความสูงและปริมาตรช่วยแยกแยะระหว่างฟิลเลตปกติกับสะพานบัดกรีส่วนเกินที่ไต่สูงขึ้นไปยังตัวแพ็กเกจ
การยกตัวชิ้นส่วนหรือการหมุนของอุปกรณ์พาสซีฟที่มีค่าการแยกฉนวนที่แนวกั้น โดยที่การวัดแบบสามมิติจะตรวจจับเป็นความคลาดเคลื่อนของความสูง/มุม แทนที่จะอาศัยเพียงการเปรียบเทียบเงารูปร่าง
สำหรับบอร์ดที่มีความสำคัญต่อฉนวนกันไฟ วิธีปฏิบัติที่ใช้ได้จริงคือการกำหนดโซนฉนวนให้เป็นเขตตรวจสอบเฉพาะของตัวเอง โดยตั้งค่าเกณฑ์การตรวจจับวัตถุให้เข้มงวดกว่าค่าในโปรแกรม SPI/AOI ทั่วไปของบอร์ดนั้น ๆ — มองว่าตัวแถบกั้นเป็นโพลิกอนเขตห้ามวางที่กำหนดไว้ชัดเจน แทนที่จะพึ่งพาค่ามาตรฐานผ่าน/ไม่ผ่านในไลบรารีระดับคอมโพเนนต์ เกณฑ์ค่าเฉพาะควรกำหนดเป็นรายบอร์ดตามระยะคลียร์แรนซ์ที่ออกแบบไว้ ไม่ควรใช้ค่าดีฟอลต์ตายตัว
การติดตามย้อนกลับของ MES สำหรับขั้นตอนกระบวนการที่มีความสำคัญต่อการแยกตัว
สำหรับฮาร์ดแวร์ระบบกักเก็บพลังงานขนาดกริด (ESS) ที่คาดว่าจะมีอายุการใช้งานภาคสนามนานหลายปี การตรวจสอบย้อนกลับในระดับแบตช์สำหรับขั้นตอนกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับฉนวน ช่วยสนับสนุนการตรวจสอบความน่าเชื่อถือในระยะยาวได้ในแบบที่การทดสอบทางไฟฟ้าขั้นสุดท้ายเพียงอย่างเดียวไม่สามารถทำได้ AMES อัจฉริยะพร้อมการตรวจสอบย้อนกลับด้วย UID-basedสามารถบันทึกได้ในระดับบอร์ดแต่ละรายการ:
ผลการผ่าน/ไม่ผ่านของ 3D AOI และภาพที่บันทึกสำหรับโซนแยกโดยเฉพาะ ไม่ใช่แค่ผลการผ่าน/ไม่ผ่านในระดับบอร์ด
ล็อตมาสก์บัดกรีและรหัสโปรไฟล์การรีโฟลว์ที่เกี่ยวข้องกับบริเวณฉนวนกันไฟฟ้า
ผลการตรวจสอบก่อนการอัดหม้อหรือก่อนการเคลือบคอนฟอร์มอล เมื่อมีการใช้การอัดหม้อ/การห่อหุ้มเพื่อเสริมระยะห่างในงานออกแบบตู้หุ้ม
ชุดบันทึกนี้มีความสำคัญมากที่สุดสำหรับบอร์ดที่ต่อมาจะผ่านกระบวนการอัดบรรจุ (potting) หรือการเคลือบป้องกัน (conformal coating) เนื่องจากหลังการห่อหุ้มแล้ว พื้นที่แยกฉนวนจะไม่สามารถเข้าถึงได้ทางกายภาพสำหรับการซ่อมแซมหรือการตรวจสอบซ้ำอีกต่อไป — บันทึกการตรวจสอบก่อนการห่อหุ้มจึงกลายเป็นหลักฐานที่ตรวจสอบได้เพียงอย่างเดียวของความสมบูรณ์ของแนวกั้นตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์
รายการตรวจสอบ DFM: การทบทวนการออกแบบการแยกตัวควบคุม ESS
ก่อนที่การออกแบบตัวควบคุม ESS จะถูกปล่อยไปยังขั้นตอนการประกอบ การทบทวน DFM แบบมุ่งเน้นของฉนวนกั้นควรยืนยันว่า:
แรงดันไฟฟ้าทำงาน ระดับมลภาวะ และกลุ่มวัสดุ (CTI) ได้รับการบันทึกและจับคู่กับรายการตารางระยะห่างในอากาศ/ระยะคลานที่ถูกต้องตาม IEC 60664-1
ช่องแยก (เมื่อใช้สำหรับแผงกั้นเสริมแรง) จะถูกระบุไว้ในแบบการผลิตด้วยความกว้างและค่าความเผื่อที่ชัดเจน
ความกว้างของแถบโซลเดอร์มาสก์ที่จุดกั้นถูกระบุไว้ในแบบภาพวาด ไม่ได้ปล่อยให้เป็นไปตามกฎการออกแบบมาสก์เริ่มต้น
การจัดวางชิ้นส่วนฉนวนแยกต้องรวมถึงการหมุนและค่าความเผื่อเขตห้ามวางที่เพียงพอ เพื่อป้องกันการรุกล้ำเขตของฉนวนภายใต้ค่าความเผื่อของเครื่องจัดวางปกติ
โปรแกรม AOI แบบ 3 มิติประกอบด้วยพื้นที่ตรวจสอบโซนแยกเฉพาะ โดยมีความไวในการตรวจจับวัตถุที่เหมาะสมกับระยะเผื่อด้านการออกแบบ
การตรวจสอบก่อนการอัดหม้อ/การเคลือบล่วงหน้าถูกกำหนดให้เป็นขั้นตอนแยกต่างหากที่บันทึกในระบบ MES สำหรับแผงวงจรทุกแผ่นที่เข้าสู่กระบวนการห่อหุ้ม
ความสมบูรณ์ของฉนวนแยกบนแผงวงจรควบคุม ESS ถูกสร้างขึ้นจากการผสมผสานระหว่างระยะเผื่อในเลย์เอาต์ ความเฉพาะเจาะจงในแบบฟาบ และระเบียบวินัยในการตรวจสอบในขั้นตอนการประกอบ โดยไม่มีขั้นตอนไหนเพียงขั้นตอนเดียวที่สามารถชดเชยช่องว่างที่ปล่อยทิ้งไว้โดยอีกขั้นตอนได้
หากคุณกำลังพัฒนาบอร์ดคอนโทรลเลอร์ ESS และต้องการให้มีอีกคู่หนึ่งช่วยตรวจสอบการออกแบบฉนวนกันก่อนส่งไปผลิตและประกอบ โปรดส่งรายละเอียดโครงการของคุณผ่านบริการของ PCBCartคำขอใบเสนอราคาการประกอบสำหรับการตรวจทานการออกแบบเพื่อการผลิต
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•การประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCBA) ตามมาตรฐาน IATF 16949: โปรโตคอลไร้ข้อบกพร่องสำหรับอิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์
•คู่มือการตรวจสอบด้วยสายตาตามมาตรฐาน IPC-A-610 ระดับชั้นที่ 3 สำหรับชุดประกอบอุตสาหกรรมและการแพทย์
•การตรวจสอบ DFM แผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ฟรี และเช็กลิสต์สำหรับการประกอบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB Assembly)
•บริการตรวจสอบชิ้นงานตัวอย่างครั้งแรกสำหรับคำสั่งประกอบแผงวงจรพิมพ์ทั้งหมด
