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Forum: Platinen Entladungseffekte auf Leiterplatte


Autor: Mario (Gast)
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Hallo zusammen,

ich habe letztens Effekte auf einer meiner Platinen entdeckt, die ich 
noch ned recht erklären kann, und deshalb wollt ich mal in die Runde 
fragen, ob jemand so etwas schon mal hatte.

Also, es geht um ein Design, in dem Hochspannungen von bis zu 1500V 
(effektiv, sinusförmig) bei 25kHz geführt werden. Auf den Platinen 
entstehen an bestimmten Stellen weiße Ablagerungen, die wie die Reste 
einer Sprühentladung aussehen (siehe Foto). Und zwar treten die immer an 
den Stellen auf, an denen zwei Bahnen mit unterschiedlichem Potential 
sich in zwei Lagen gegenüberstehen, also z.B. 1500V auf Top und GND in 
Zwischenlage 1 direkt darunter. Laut Hersteller sollte das Material aber 
39kV/mm aushalten (bei DC, freilich), weshalb ich mich getraut hab, das 
so zu routen. Offenbar geht's doch nicht ganz ...

Hat von Euch schon mal jemand solche Effekte gehabt ?

Besten Dank und viele Grüße,

Mario

Autor: Mario (Gast)
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Hups, Foto bei Vorschau verschwunden - hier ist es.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Mario (Gast)

Bildformate!!!

>Also, es geht um ein Design, in dem Hochspannungen von bis zu 1500V
>(effektiv, sinusförmig) bei 25kHz geführt werden. Auf den Platinen

Hoppla, das ist ja schon ne Menge!

>entstehen an bestimmten Stellen weiße Ablagerungen, die wie die Reste
>einer Sprühentladung aussehen (siehe Foto). Und zwar treten die immer an
>den Stellen auf, an denen zwei Bahnen mit unterschiedlichem Potential
>sich in zwei Lagen gegenüberstehen, also z.B. 1500V auf Top und GND in
>Zwischenlage 1 direkt darunter. Laut Hersteller sollte das Material aber
>39kV/mm aushalten (bei DC, freilich), weshalb ich mich getraut hab, das

Ja eben. Schon mal ausgerechnet, welche Kapazitätenm zwischen den 
Leiterbahnen existieren und was die bei 25 kHz  uns 1,5kV für Ströme 
fliessen lassen?

Erinnert mich an meine Spielereien mit Zeilentrafos ;-)

>Hat von Euch schon mal jemand solche Effekte gehabt ?

Vielleicht ist auch die Oberfläche nicht sauber und der "Dreck" wird 
gegrillt, vor allem Flussmittelrückstände.

MFG
Falk

Autor: Mario (Gast)
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Hallo,

danke für die Antwort. Ja, das ist strom- und leistungsmäßig ne ganze 
Menge, das ist mir beim nachträglichen Rechnen auch schon aufgefallen 
;-) Mir ist schon bewusst, dass das an der Stelle so nicht gehen kann 
und ich mir da was einfallen lassen muss.

Also Dreck oder Rückstände schließe ich aus, da es bei mehreren Platinen 
in gleicher Form vorkommt. Und an der gezeigten Stelle sind ja keine 
Bauteile, sondern nur Leiterbahnen.

Mich interessiert mehr der Effekt, der da auftritt, und woher diese 
weißen Spuren kommen.

Gruß, Mario

Autor: Drei Newton (3_newton)
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Könnte es einfach Dreck sein der elektrostatisch angezogen wird und sich 
in Richtung der Feldlinien ablagert? Wenn keine nennenswerten Schäden 
resultieren und kein messbarer Strom zwischen den Bahnen fließt würde 
ich das so hinnehmen. Sowas hab ich auch schon in PC-CRTs gesehen.

Autor: Mario (Gast)
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Hallo,

wie gesagt das mit dem Dreck schließ ich eigentlich fast aus (auch 
wenn's schön wäre), denn man kann das weiße Zeug leicht abwischen und 
hat dann an den Stellen leichte Riefen im Material. Sieht so aus als ob 
die Oberfläche leicht abgetragen werden würde.

Autor: GSM (Gast)
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So wie ich das sehe sind das Oberflaechenstroeme um den Rand herum. Der 
Rand sollte etwas weiter weg sein. Ich denke nicht dass das allzulange 
gut geht.

Autor: tom (Gast)
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Hi,

meine Einschätzung: DAS IST Dreck! Feinstaub! Du lebst ebend nicht im 
Reinraum. Und 1500V erzeugen schon ein nenneswertes elektrostatisches 
Feld. Also wird dieser Feinstaub, der überall in der Luft ist, dort 
angezogen. Und dieser Feinstaub ist auch alles andere als nichtleitend, 
vor allem, wenn Feuchtigkeit dazukommt! Und auch die hast Du praktisch 
immer. Daher stammen auch die feinen Riefen. Elektrostatische 
Entladungen die Staubbahnen entlang können auch, aufgrund Energie, die 
Oberfläche "in Angriff" nehmen. Laß die Anlage eingeschaltet und mach es 
mal wirklich dunkel! Das dürfte dann durchaus interessant aussehen! (und 
ganz nebenbei ein Beweis des Ganzen sein!)

Schönen Tag noch,
Thomas

Autor: Mario (Gast)
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Hallo,

in der Tat, im Dunkeln sieht das Ganze wirklich hübsch aus und erinnert 
mich an meine Zeit mit den Teslatrafos ;-) Es ähnelt sehr einer 
Koronaentladung, so violettfarbige kleine Verästelungen, von der Form 
her wie den weißen Spuren. Ihr habt mich glaub ich überzeugt, 
Staubablagerungen entlang der Entladungen klingt logisch.

Ich werd in der Revision versuchen, die beiden so gut wie möglich zu 
trennen.

Dank Euch allen für die Tipps und Hilfen !

Ciao, Mario

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Mario wrote:
> Hallo,
>
> in der Tat, im Dunkeln sieht das Ganze wirklich hübsch aus und erinnert
> mich an meine Zeit mit den Teslatrafos ;-) Es ähnelt sehr einer
> Koronaentladung, so violettfarbige kleine Verästelungen, von der Form
> her wie den weißen Spuren.
Das ganze nennt sich Gleitentladung.

> Ihr habt mich glaub ich überzeugt,
> Staubablagerungen entlang der Entladungen klingt logisch.
Es handelt sich höchstwahrscheinlich um Rückstände der thermischen 
Zersetzung der Leiterplattenoberfläche und nicht um "angezogenen Staub". 
Immerhin wird bei einer Gleitentladung (und auch bei anderen 
Entladungsformen) die Luft im Bereich des Entladungskanals ionisiert, 
und das bedeutet sehr hohe lokale Temperaturen

> Ich werd in der Revision versuchen, die beiden so gut wie möglich zu
> trennen.
Ja. Und gerade im Bereich derart hoher Spannungen drauf achten, dass 
alle Ecken und Kanten (in diesem Falle v.a. die Kanten der Leiterbahnen) 
eine extreme lokale Erhöhung der Feldstärke verursachen. Da kommt es 
dann eben zu Teilentladungen, die einerseits in Form von 
Gleitentladungen an der Oberfläche, andererseits aber auch in Form von 
"electrical trees" durch das Material hindurch auftreten. Wenn zwischen 
den auf den beiden Seiten der Platte liegenden Bahnen auch die volle 
Spannung anliegt, dann kann es Dir paasieren, dass irgendwann die 
komplette Platine durchschlägt.

Autor: PeterL (Gast)
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wenn das Material aber 39kV/mm kann, wie kommt es dann zu diesen 
Entladungen?

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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PeterL wrote:
> wenn das Material aber 39kV/mm kann, wie kommt es dann zu diesen
> Entladungen?

Weil der Lötstoplack über der Leiterbahn keinen mm dick ist?

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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PeterL wrote:
> wenn das Material aber 39kV/mm kann, wie kommt es dann zu diesen
> Entladungen?
Der Witz bei *TEIL*Entladungen ist ja gerade, dass sie sich an Stellen 
abspielen, an denen die Feldstärke höher ist als anderswo (also in stark 
inhomogenen Feldern). Einfachstes Beispiel ist eine Spitzenelektrode 
gegenüber einer Plattenelektrode (die man quasi als Seitenansicht auf 
die Kante einer Leiterbahn auf einer Platine sehen kann). Da Feldlinien 
immer senkrecht aus Äquipotenzialflächen austreten, ist an der Spitze 
die Feldstärke erheblich höher als an der Platte. Und es kann durchaus 
passieren, dass an der Spitze die Feldstärke höher ist als die 
Durchschlagfeldstärke des Dielektrikums. Dann bekommt man eine 
Teilentladung, die eben nicht die gesamte Isolierstrecke durchschlägt, 
sondern nur einen Teil davon (eben den Teil, in dem die Feldstärke hoch 
genug ist). Die Feldstärke über die gesamte Isolierstrecke gemittelt 
reicht in dem Fall noch aus, um einen vollständigen Durchschlag zu 
vermeiden.

An sich sind die Teilentladungen nicht gefährlich, sofern das 
Isoliermedium durch sie nicht geschädigt wird. Aber ionisiertes Gas 
bedeutet nunmal hohe Temperaturen und dementsprechend eine 
Schädigung/Zersetzung des Isoliermediums. Und wenn bei der Zersetzung 
auch noch leitfähige Produkte entstehen (bei den meisten Kunststoffen 
u.a. Kohlenstoff), dann kann es durchaus zu weiteren Folgen kommen (z.B. 
das erwähnte electrical treeing, bei dem die "Spitze" durch die 
Ausbildung eines mehr oder weniger leitfähigen Entladungskanals in das 
Isoliermedium hineinwächst, oft auch mit Verästelungen). Dass eine 
Leiterplatte bei 1500V effektiv komplett durchschlägt, ist allerdings 
selten (dazu müssten alle o.g. Effekte zusammenkommen, und ich habe 
derzeit keine konkreten Werte über die TE-Resistenz von FR4 o.ä. parat, 
aber als Verbundwerkstoff sollte das Zeug einiges abkönnen). Trotzdem 
sollte man bei Layouts mit solchen Spannungen sehr sorgfältig planen.

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Ernst Bachmann wrote:
> Weil der Lötstoplack über der Leiterbahn keinen mm dick ist?
Der Lötstoplack ist bei solchen Feldstärken in seinen 
Isoliereigenschaften vernachlässigbar.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  PeterL (Gast)

>wenn das Material aber 39kV/mm kann, wie kommt es dann zu diesen
>Entladungen?

DC!!!

Ausserdem liegt das Problem NICHT an der Isolierfähigkiet der Platine, 
sondern an den "scharfen Kanten" der Leiterbahn. Dort entstehen sehr 
hohe Feldstärken und die Luft wird ionisiert.

MfG
Falk

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Johannes M. (johnny-m)

>Der Lötstoplack ist bei solchen Feldstärken in seinen
>Isoliereigenschaften vernachlässigbar.

Eben. Deshalb müsste man wohl entweder das Layout ändern oder einen 
"Hochspannungslack" aufbringen, der eben die Feldstärke aushält und 1mm? 
dick ist. Dann ist die Feldstärke an der Luft wesentlich geringer und es 
kommt nicht zu Ionisierungen. Nur so ne Idee.

Oder die dünne Leiterbahn, von der die Entladungen ausgehen, direkt über 
die dicke Leiterbahn auf der Unterseite legen. Dann hat man einen 
Plattenkondensator und das Feld ist homogener, die Ecken werden nicht so 
stark belastet.


MFG
Falk

Autor: PeterL (Gast)
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Danke für die Antworten, jetzt werde ich in Zukunft wohl auch besser 
aufpassen müssen.
Habe bis jetzt erst ein HV (5kV) Layout machen müssen, da habe ich die 
Abstände mit Ausfräsungen realisiert.
Ist es evtl. besser statt 30µ, 70µ oder mehr Kupferauflage zu verwenden 
und
dünne Leiterbahnen zu verlegen, damit die Feldstärke gleichmässiger 
verteilt ist?

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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PeterL wrote:
> Danke für die Antworten, jetzt werde ich in Zukunft wohl auch besser
> aufpassen müssen.
> Habe bis jetzt erst ein HV (5kV) Layout machen müssen, da habe ich die
> Abstände mit Ausfräsungen realisiert.
Das ist auf jeden Fall schon mal besser. Besonders kritisch (in Sachen 
Gleitentladungen) sind Grenzflächen in Feldrichtung. Wenn nur noch Luft 
zwischen den Leiterbahnen ist, dann gibts höchstens noch 
Sprühentladungen (Korona) an den Leiterbahnen, die i.d.R. zumindest 
nicht viel Schaden anrichten können.

> Ist es evtl. besser statt 30µ, 70µ oder mehr Kupferauflage zu verwenden
> und
> dünne Leiterbahnen zu verlegen, damit die Feldstärke gleichmässiger
> verteilt ist?
Dickeres Kupfer ist zwar eine Idee, aber bringt in dem Fall 
wahrscheinlich nichts. Dünnere (schmalere) Leiterbahnen sind wiederum 
kontraproduktiv in der anderen Richtung. Grundsätzlich gilt für 
kritische Leiter: möglichst rund und möglichst großer Querschnitt 
("Rogowski-Profil"). Wenn Ecken und Kanten dran sind, nützt aber auch 
der größte Querschnitt nix.

Was zumindest bei Richtungswechseln schon mal gewisse Vorteile bringt, 
ist ein Verzicht auf Ecken (45 oder gar 90°) und eine kurvenförmige 
Leiterführung. Ansonsten würde ich überlegen, die hohen Spannungen nicht 
als Kupferbahnen auf der Leiterplatte zu führen, sondern in einer 
homogeneren Anordnung. Für Spannungen oberhalb einiger 100 V sind 
Leiterplatten eher ungeeignet.

Autor: Platinenbauer .. (platinenbauer)
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da hilft nur:
Platine gründlich reinigen mit 99er Isopropanol
Gründlich trocknen lassen und schutzlackieren.


Platinenbauer

Autor: Mario (Gast)
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Hallo zusammen,

danke für die vielen Antworten ! Wir haben inzwischen beim 
Leiterplattenhersteller einen Schliff anfertigen lassen, und es hat sich 
gezeigt dass es ein Durchschlag an der Oberfläche ist, der von den 
Knicken in den Leiterbahnen ausgeht, den Lötstoplack durchdringt und 
dann wohl an der Oberfläche sich in Richtung der Feldlinien ausbreitet. 
Das Basismaterial selbst ist nicht angegriffen worden. Ist genau so eine 
Teilentladung, wie Johannes sie beschreibt (vielen Dank für die 
ausführliche Info !).

Ich hab die Revision schon vorbereitet, es wird alles soweit wie möglich 
voneinander getrennt werden, außerdem hab ich großzügige Ausfräsungen 
vorgesehen. Ich hoffe, dass diese Maßnahmen dann ausreichen werden. Bei 
den bereits gebauten werd ich mal einen Schutzlack versuchen.

Grüße, Mario

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