Pri návrhu dosiek plošných spojov (DPS) je dôležité poznať elektrickú pevnosť substrátu, aby sa predišlo elektrickému preťaženiu a prerazeniu izolácie. Elektrická pevnosť sa vyjadruje v kilovoltoch na milimeter (kV/mm) a určuje maximálne elektrické napätie, ktoré môže materiál vydržať predtým, ako dôjde k jeho elektrickému zlyhaniu.

Kalkulačka nižšie umožňuje výpočet elektrickej pevnosti DPS na základe vybraného materiálu substrátu a jeho hrúbky. Výsledkom je hodnota maximálneho napätia, ktoré môže konkrétny substrát zniesť bez poškodenia.

Základné pojmy

• Elektrická pevnosť materiálu : hodnota, ktorá udáva jeho schopnosť odolávať elektrickému poľu. Udáva sa v kV/mm a závisí od typu materiálu, jeho homogenity, vlhkosti a ďalších faktorov.
• Hrúbka substrátu : veličina, ktorá sa meria v milimetroch a ovplyvňuje celkovú elektrickú pevnosť dosky. Čím je substrát hrubší, tým väčšiemu napätiu môže odolať.

Vzorec pre výpočet elektrickej pevnosti

Celková elektrická pevnosť substrátu DPS sa počíta nasledovne:

U_BD  = E_r x d

Kde:

•  U_BD je maximálna elektrická pevnosť substrátu (kV)
•  E_r je dielektrická pevnosť materiálu (kV/mm)
• d  je hrúbka substrátu (mm)

Materiály pre PCB a ich použitie

• FR2 – Lacnejší fenolický materiál používaný v jednoduchých spotrebiteľských zariadeniach, s nižšou mechanickou odolnosťou.
• FR4 – Najbežnejší materiál pre DPS, vyznačuje sa dobrými mechanickými a elektrickými vlastnosťami, používa sa v širokom spektre aplikácií.
• CEM-1 a CEM-3 – Lacnejšie alternatívy k FR4, vhodné pre jednoduché obvody, s mierne nižšou mechanickou odolnosťou.
• Polyimid a Kapton – Materiály odolné voči vysokým teplotám, často používané v ohybných PCB a v leteckých alebo vesmírnych aplikáciách.
• PTFE (Teflon) – Materiál s nízkou stratovosťou signálu, vhodný pre vysokofrekvenčné a mikrovlnné obvody.
• Rogers RO4000 – Špeciálny materiál pre RF aplikácie, kombinuje nízku stratovosť a vysokú stabilitu pri vysokých frekvenciách.
• Rogers RT/duroid 6002 a 5880 – Materiály s extrémne nízkymi stratami pre mikrovlnné a radarové systémy.
• Taconic TLY – Alternatíva k PTFE materiálom s dobrými elektrickými vlastnosťami pre RF aplikácie.
• Isola Astra MT77 – Materiál optimalizovaný pre vysokofrekvenčné komunikačné systémy a aplikácie v oblasti 5G.
• Al2O3 (Keramika) – Materiál s vysokou tepelnou vodivosťou a elektrickou pevnosťou, používaný v špeciálnych výkonových aplikáciách.
• AlN (Nitrid hlinitý) – Má vyššiu tepelnú vodivosť ako keramika a používa sa tam, kde je potrebná efektívna tepelná regulácia.

Faktory ovplyvňujúce elektrickú pevnosť

• Vlhkosť – Zvyšuje vodivosť materiálu, čím znižuje jeho elektrickú pevnosť. Substráty s vysokou absorpciou vlhkosti môžu vykazovať degradáciu izolačných vlastností.
• Teplota – Vysoké teploty môžu degradovať substrát a znížiť jeho izolačné vlastnosti. Niektoré materiály, ako polyimid alebo PTFE, sú odolnejšie voči tepelnému namáhaniu.
• Nečistoty a prach – Kontaminanty na povrchu DPS môžu viesť k nežiaducim vodivým cestám a skratom, čím znižujú elektrickú pevnosť.
• Frekvencia napätia – Pri vysokých frekvenciách môžu niektoré materiály strácať izolačné vlastnosti v dôsledku zvýšených strát v dielektriku.
• Mechanické namáhanie – Trhliny alebo mikropraskliny v substráte môžu viesť k zníženiu izolačných schopností a následnému prerazeniu.
• Hrúbka vrstvy – Čím je substrát hrubší, tým vyššia je jeho odolnosť voči elektrickému prierazu, avšak niektoré aplikácie si vyžadujú tenšie vrstvy kvôli hmotnosti alebo flexibilite.

Použitie kalkulačky

Pomocou kalkulačky nižšie môžete vykonať orientačný výpočet elektrickej pevnosti dosky plošného spoja. Stačí ak pomocou voľby "Vyberte materiál substrátu" z rozbaľovacieho menu zvolíte požadovaný materiál. Každý materiál má svoju charakteristickú dielektrickú pevnosť. Ďalej do poľa "Zadajte hrúbku dosky" vložíte hrúbku DPS v milimetroch no a následne kliknete na tlačidlo "Vypočítať" a zobrazí sa výsledná odhadovaná hodnota maximálnej elektrickej pevnosti v kV. 

Použitie správneho substrátu a výpočet elektrickej pevnosti sú kľúčové pre bezpečný a spoľahlivý dizajn elektronických obvodov. Táto kalkulačka umožňuje rýchly výpočet maximálnej elektrickej pevnosti pre rôzne materiály, čo pomáha pri návrhu DPS od nízkonapäťových aplikácií až po vysokonapäťové a RF riešenia.