J’ai eu ma première exposition aux normes de fluage et de dégagement des PCB à l’université lors de mon premier stage. J’ai été chargé de développer un circuit d’allumage par étincelle qui devait prendre 120 V et le transformer jusqu’à 20 kV pour créer une étincelle électrique entre deux électrodes. J’étais jeune et je ne connaissais même pas encore les mots « creepage » ou « clearance », alors quand j’ai branché mon circuit protoboard, l’alimentation entrante a éclaté sur toute la carte et elle a explosé. Si vous voulez apprendre des erreurs de ma jeunesse, vous devrez concevoir vos planches en gardant à l’esprit le niveau de fuite et le dégagement. Ces deux attributs spécifient les distances entre les conducteurs des cartes haute tension. Les exigences en matière de dégagement et de fuite sont régies par plusieurs normes, notamment la CEI 60601 et la CIB 2221. Il existe plusieurs méthodes de conception que vous pouvez utiliser pour vous aider à respecter ces normes afin que vous puissiez protéger vos circuits et vos clients.
Que sont le Fluage et le dégagement?
Si vous concevez principalement des circuits à basse tension, il y a de fortes chances que vous n’ayez pas eu à faire face très souvent à la fuite ou au dégagement. Alors, quels sont exactement les infiltrations et les dégagements, et quand devez-vous commencer à y penser?
Dégagement – Le dégagement est la distance la plus courte dans l’air entre deux conducteurs. Vous pouvez considérer cela comme la distance de visibilité entre deux sommets de montagne. Si vous aviez un jetpack, comme je le souhaite souvent, vous pouviez voler directement vers l’autre sommet en ligne droite.
Fluage – Le fluage est la distance la plus courte à un autre conducteur le long de la surface du matériau isolant de votre PCB. Cette fois, vous devez marcher tout le long du flanc de la montagne, à travers la vallée et sur l’autre montagne pour arriver au sommet, sans jet packs.
Ces deux définitions deviennent importantes lorsque vous concevez une carte » haute tension « . Ce qui signifie que si votre carte utilise plus de 30 VCA ou 60 VCC, vous devez commencer à faire attention à l’espacement. Si vous ne le faites pas, votre PCB pourrait finir comme le mien d’avant, brûlé et fumé. En effet, à des tensions plus élevées, les conducteurs peuvent s’arc-bouter les uns sur les autres ou sur d’autres composants s’ils sont trop rapprochés les uns des autres. De plus en plus de concepteurs doivent en apprendre davantage sur le niveau de fuite et le dégagement, car les cartes mélangent de plus en plus des circuits analogiques et numériques avec des circuits haute tension.
Quelles sont les Normes de Fuite et de dégagement des PCB?
Pour ceux d’entre nous qui ne veulent pas apprendre l’importance de la fuite et du dégagement par expérience directe, il existe quelques normes pour nous aider. Vous devriez principalement vous pencher sur IEC 60601 et IPC 2221. Ces deux normes détaillent l’espacement entre les conducteurs pour différentes tensions et scénarios.
Parfois, il y aura des zones grises où les normes ne vous diront pas exactement comment résoudre un problème ou aménager vos conducteurs. Bien que les règles DFM de votre CM garantissent la fabricabilité, vous devriez faire tester vos planches pour vous assurer que les exigences de sécurité en matière de fuite et de dégagement sont respectées. Le service de test le plus connu est Underwriter’s Laboratory (UL), qui validera vos cartes, donnera confiance à vos clients et vous fournira une protection contre une éventualité connexe. À la fin de la journée, il est important que vous connaissiez les principes de conception en matière de fuite et de dégagement afin de vous assurer que votre planche est conforme.
Conception pour le dégagement et le dégagement
La solution la plus évidente aux problèmes de dégagement et de dégagement consiste à éloigner les composants ou les conducteurs. Cette stratégie ne fonctionne plus vraiment avec la réduction des facteurs de forme et la nécessité croissante de PCB à haute densité. Examinons certaines stratégies spécifiques pour le fluage et le dégagement, et examinons d’autres facteurs que vous devrez prendre en compte.
Dégagement – Lorsque vous regardez le dégagement, vous devez vous rappeler qu’il s’agit de la distance la plus courte dans l’air entre les conducteurs ou les nœuds. Une bonne solution consiste souvent à ajouter une barrière isolante entre les deux points en question. Si vous avez une carte double face, un moyen facile de le faire est de localiser les composants haute tension en haut et les composants basse tension en bas. Parfois, les conducteurs haute tension qui sont à la même tension n’ont pas besoin d’un jeu excessif les uns des autres; cependant, ils doivent être séparés des conducteurs basse tension. Si c’est le cas pour votre carte, l’isolation du substrat du PCB constitue une excellente barrière.
Creepage – Quand il s’agit de creepage, vous ne pouvez pas toujours simplement coller des objets sur les côtés opposés de la planche. Rappelez-vous que la fuite est la distance entre les nœuds le long de la surface de l’isolant. En repensant à la métaphore du sommet de la montagne, une façon d’augmenter la fuite est de créer une vallée entre les sommets. Vous pouvez couper des rainures ou des creux dans le substrat du PCB pour augmenter la fuite. Vous pouvez également parfois couper des fentes tout au long de l’isolant pour augmenter la distance. C’est la même stratégie utilisée sur les isolateurs à haute tension sur les lignes électriques, ces isolateurs ont des crêtes sur leur longueur pour augmenter la distance de fuite.
Matériau – En cas de fuite, le matériau isolant que vous choisissez compte également. En effet, lorsqu’une tension crée un chemin conducteur le long de la surface de l’isolant, elle peut décomposer la surface de l’isolant, ce qui entraîne un chemin plus conducteur entre les composants. La caractéristique qui mesure cela s’appelle le CTI (Indice de suivi comparatif). Plus le CTI d’un matériau est élevé, plus il est isolant. Si vous craignez de créer un chemin conducteur sur votre carte, optez pour un matériau CTI plus élevé.
Surface de délimitation – Le fluage et le dégagement s’appliquent au boîtier de votre PCB ainsi qu’à ses conducteurs. Cela signifie que lorsque vous travaillez avec votre ingénieur en mécanique pour concevoir le boîtier, vous devrez prendre en compte le niveau de fuite et le dégagement. Vous pouvez souvent utiliser les mêmes stratégies discutées précédemment pour gérer cette exigence.
Mon patron m’a dit un jour que faire frire un circuit ou deux n’est pas un problème, mais quand je commence à faire trois ou plus de la même erreur, cela devient un problème. Le respect des normes de fuite et de dégagement pour les cartes haute tension garantira la conformité de sécurité de votre PCB et l’empêchera d’exploser. N’oubliez pas que vous pouvez consulter IEC 60601 et IPC 2221 pour voir quelles normes vous devez respecter. Si vous ne savez pas comment résoudre un certain problème, essayez de demander de l’aide à votre CM. Enfin, vous devriez vous familiariser avec certaines techniques de conception de dégagement et de fuite afin d’être sûr que votre PCB est en sécurité lors de son expédition.