Ich habe meine erste Begegnung mit PCB Creepage and Clearance Standards bereits im College bei meinem ersten Praktikum. Ich hatte die Aufgabe, einen Funkenzündungskreis zu entwickeln, der 120 V auf 20 kV transformieren musste, um einen elektrischen Funken zwischen zwei Elektroden zu erzeugen. Ich war jung und kannte noch nicht einmal die Worte „Creepage“ oder „Clearance“, Als ich meinen Protoboard-Schaltkreis anschloss, bogen sich die eingehenden Ströme über die Platine und explodierten. Wenn du aus den Fehlern meiner Jugend lernen willst, musst du deine Boards mit Blick auf Kriech- und Luftdurchlässigkeit entwerfen. Diese beiden Attribute geben die Abstände zwischen den Leitern auf Hochspannungsplatinen an. Die Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken sind in mehreren Normen geregelt, darunter IEC 60601 und IPC 2221. Es gibt verschiedene Entwurfsmethoden, mit denen Sie diese Standards erfüllen können, um Ihre Schaltkreise und Kunden zu schützen.
Was sind Kriechstrecke und Luft?
Wenn Sie hauptsächlich Niederspannungsschaltungen entwerfen, müssen Sie sich wahrscheinlich nicht sehr oft mit Kriech- oder Luftströmungen auseinandersetzen. Also, was genau sind Kriech- und Luft, und wann müssen Sie anfangen, darüber nachzudenken?
Abstand – Abstand ist der kürzeste Abstand in der Luft zwischen zwei Leitern. Sie können sich dies als die Sichtlinie zwischen zwei Berggipfeln vorstellen. Wenn Sie ein Jetpack hätten, wie ich es mir oft wünschte, könnten Sie in gerader Linie direkt zum anderen Gipfel fliegen.
Kriechstrecke – Kriechstrecke ist die kürzeste Entfernung zu einem anderen Leiter entlang der Oberfläche des Isoliermaterials Ihrer Leiterplatte. Dieses Mal müssen Sie den ganzen Weg die Seite des Berges hinunter, durch das Tal und den anderen Berg hinauf gehen, um ohne Jetpacks an die Spitze zu gelangen.
Diese beiden Definitionen werden wichtig, wenn Sie eine „Hochspannungs“ -Platine entwerfen. Das heißt, wenn Ihr Board mehr als 30 VAC oder 60 VDC verwendet, müssen Sie auf den Abstand achten. Wenn Sie dies nicht tun, könnte Ihre Leiterplatte wie meine von früher enden, verbrannt und rauchend. Dies liegt daran, dass Leiter bei höheren Spannungen Lichtbögen zueinander oder zu anderen Komponenten bilden können, wenn sie zu nahe beieinander liegen. Immer mehr Designer müssen sich mit Kriech- und Luftströmungen vertraut machen, da Platinen zunehmend analoge und digitale Schaltungen mit Hochspannungsschaltungen mischen.
Was sind die Kriech- und Luftstandards für Leiterplatten?
Für diejenigen von uns, die nicht aus direkter Erfahrung etwas über die Bedeutung von Kriech- und Luft lernen möchten, gibt es einige Standards, die uns helfen. In erster Linie sollten Sie sich mit IEC 60601 und IPC 2221 befassen. Diese beiden Normen beschreiben den Abstand zwischen den Leitern für unterschiedliche Spannungen und Szenarien.
Manchmal gibt es Grauzonen, in denen die Standards Ihnen nicht genau sagen, wie Sie ein Problem lösen oder Ihre Leiter gestalten sollen. Obwohl die DFM-Regeln Ihres CM die Herstellbarkeit gewährleisten, sollten Sie Ihre Platinen testen lassen, um sicherzustellen, dass die Sicherheitsanforderungen für Kriech- und Luftdurchlässigkeit erfüllt werden. Der bekannteste Testservice ist das Underwriter’s Laboratory (UL), das Ihre Boards validiert, Ihren Kunden Vertrauen schenkt und Sie vor einem damit verbundenen Notfall schützt. Letztendlich ist es wichtig, dass Sie die Konstruktionsprinzipien für Kriech- und Luftdurchlässigkeit kennen, damit Sie sicherstellen können, dass Ihre Platine konform ist.
Kriech- und Spaltkonstruktion
Die naheliegendste Lösung für Kriech- und Spaltprobleme besteht darin, Bauteile oder Leiter weiter auseinander zu bewegen. Diese Strategie funktioniert nicht mehr wirklich mit schrumpfenden Formfaktoren und der zunehmenden Notwendigkeit von Leiterplatten mit hoher Dichte. Schauen wir uns einige spezifische Strategien für Kriech- und Luft an und untersuchen Sie einige andere Faktoren, die Sie berücksichtigen müssen.
Abstand – Wenn Sie den Abstand betrachten, müssen Sie daran denken, dass dies der kürzeste Abstand in der Luft zwischen Leitern oder Knoten ist. Eine gute Lösung besteht oft darin, eine isolierende Barriere zwischen den beiden fraglichen Punkten hinzuzufügen. Wenn Sie eine doppelseitige Platine haben, besteht eine einfache Möglichkeit darin, Hochspannungskomponenten oben und Niederspannungskomponenten unten zu finden. Manchmal benötigen Hochspannungsleiter, die die gleiche Spannung haben, keinen übermäßigen Abstand voneinander; Sie müssen jedoch von Niederspannungsleitern getrennt werden. Wenn dies bei Ihrer Platine der Fall ist, ist die Isolierung des Leiterplattensubstrats eine hervorragende Barriere.
Kriechen – Wenn es um Kriechen geht, können Sie nicht immer nur Dinge auf gegenüberliegenden Seiten der Platine kleben. Denken Sie daran, dass die Kriechstrecke der Abstand zwischen Knoten entlang der Oberfläche des Isolators ist. Wenn man an die Berggipfelmetapher zurückdenkt, besteht eine Möglichkeit, die Kriechfähigkeit zu erhöhen, darin, ein Tal zwischen den Gipfeln zu bilden. Sie können Nuten oder Mulden in das PCB-Substrat schneiden, um die Kriechstrecke zu erhöhen. Sie können manchmal auch Schlitze durch den Isolator schneiden, um den Abstand zu vergrößern. Dies ist die gleiche Strategie, die bei Hochspannungsisolatoren auf Stromleitungen angewendet wird, Diese Isolatoren haben Rippen entlang ihrer Länge, um die Kriechstrecke zu erhöhen.
Material – Bei Kriechstrecken kommt es auch auf das von Ihnen gewählte Dämmmaterial an. Dies liegt daran, dass eine Spannung, die einen leitenden Pfad entlang der Oberfläche des Isolators erzeugt, die Oberfläche des Isolators aufbrechen kann, was zu einem leitfähigeren Pfad zwischen den Komponenten führt. Das Merkmal, das dies misst, wird als CTI (Comparative Tracking Index) bezeichnet. Je höher der CTI eines Materials, desto isolierender ist es. Wenn Sie sich Sorgen machen, dass Kriechstrom einen leitfähigen Pfad auf Ihrer Platine erzeugt, entscheiden Sie sich für ein höheres CTI-Material.
Begrenzungsfläche – Kriech- und Luft gelten sowohl für das Gehäuse Ihrer Leiterplatte als auch für deren Leiter. Dies bedeutet, dass Sie bei der Konstruktion des Gehäuses zusammen mit Ihrem Maschinenbauingenieur Kriechstrecken und Luft berücksichtigen müssen. Sie können oft die gleichen Strategien verwenden, die zuvor besprochen wurden, um diese Anforderung zu erfüllen.
Mein Chef hat mir einmal gesagt, dass es kein Problem ist, ein oder zwei Schaltkreise zu braten, aber wenn ich anfange, drei oder mehr Fehler zu machen, wird es ein Problem. Die Einhaltung der Kriech- und Luftstandards für Hochspannungsplatinen gewährleistet die Einhaltung der Sicherheit Ihrer Leiterplatte und verhindert, dass sie explodiert. Denken Sie daran, dass Sie sich IEC 60601 und IPC 2221 ansehen können, um zu sehen, welche Standards Sie erfüllen müssen. Wenn Sie nicht wissen, wie Sie ein bestimmtes Problem beheben können, bitten Sie Ihren CM um Hilfe. Schließlich sollten Sie sich mit einigen Konstruktionstechniken für Luft- und Kriechstrecken vertraut machen, damit Sie sicher sein können, dass Ihre Leiterplatte beim Versand sicher ist.