Правила расчета расстояний между проводниками на печатных платах

Разработчику высоковольтных печатных плат необходимо обладать знаниями о международных стандартах и правилах безопасности, которые гарантируют безопасность и функциональность конечных изделий.

Расстояние между проводящими дорожками — важнейший фактор, влияющий на безопасность и надежность печатной платы, особенно если рабочее напряжение в электронных изделиях превышает 30 В переменного тока и 60 В постоянного тока или больше в случае устройств с повышенным напряжением.

В печатных платах различают два вида расстояний между проводящими дорожками: измеряемый по воздуху зазор (clearance) между проводниками и путь утечки (creepage), который представляет собой промежуток между проводниками, измеряемый по поверхности платы. В печатных платах с высокой плотностью межсоединений обеспечение минимального расстояния между дорожками является сложной и крайне важной задачей, особенно в сборках плат с высоким напряжением. При проектировании высоковольтных печатных плат разработчику необходимо обладать знаниями о международных стандартах и правилах безопасности, например IPC 2221A и UL 60950–1, в которых описаны требования по безопасности людей и оборудования, находящихся вблизи электронного устройства. Соблюдение этих стандартов гарантирует безопасность и функциональность конечного изделия. Кроме того, проектировщику печатных плат следует учитывать множество других параметров:

• сопротивление изоляции;
• напряжение пробоя диэлектрика;
• параметры материала платы;
• ток утечки;
• расстояния между дорожками, измеряемые разными способами;
• условия эксплуатации конечного изделия (влажность и высота над уровнем моря).

Чтобы убедиться в том, что плата разработана в соответствии со стандартами безопасности, необходимо протестировать ее в лабораторных условиях с использованием испытательного оборудования.

Тестирование помогает обнаружить проблемы, которые возникают в процессе эксплуатации печатной платы под воздействием условий окружающей среды или высокого напряжения.

Расстояния между проводящими линиями на печатной плате

Тенденция к миниатюризации электронных схем ставит перед разработчиками сложные задачи, особенно при использовании гибридных технологий, когда на одной плате размещаются аналоговые, цифровые, радиочастотные и высоковольтные цепи. Соблюдение правильных расстояний между проводящими  дорожками высоковольтных цепей обеспечивает безопасность и надежность электронной сборки, а также оптимизирует схему расположения компонентов, что, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты изделия. В таблице 1 приведены стандарты проектирования проводящих дорожек и расстояний между ними, основанные на весе меди.

Минимально допустимое расстояние между линиями передач/дорожками на плате

Минимальным расстоянием между компонентами печатной платы и проводящими дорожками является расстояние, которое необходимо, чтобы электронная сборка могла выдержать заданное напряжение. Это расстояние определяется двумя способами: по воздуху (между наиболее выступающими точками) и по поверхности платы. Ключевую роль в определении требований к минимальному расстоянию между линиями играют такие факторы как значение напряжения, тип сборки и дальнейшее применение платы.

Вариативность этих параметров обуславливает необходимость в индивидуальном подходе при расчете минимального расстояния для каждого проекта. Единого решения не существует.

Способы измерения расстояния между дорожками

Путь утечки — это кратчайшее расстояние между дорожками проводника на плате, которое измеряется по поверхности изоляционного материала. Зазор определяется как минимальное расстояние по воздуху (прямая видимость) между двумя дорожками проводника (рис. 1).

В отличие от зазора, который измеряется по воздуху, путь утечки измеряется по поверхности изоляционного материала. При работе с высоковольтными конструкциями необходимо знать разницу между этими способами измерения расстояния.

Влияние загрязнений на поверхность печатной платы

Частицы пыли и влаги, попавшие между дорожками, становятся причиной утечки тока, что может повлечь пробой по поверхности изоляционного материала между проводниками. Кроме того, пробой по поверхности возникает вследствие скачка напряжения. Постоянное высокое напряжение может привести к  разрушению поверхности, если у нее слишком низкий сравнительный показатель пробоя (CTI).

Сравнительный показатель пробоя

Показатель CTI определяет напряжение электрического пробоя, вызванного условиями окружающей среды, для изоляционного материала печатной платы. CTI указывает на способность подложки выдерживать пробой между двумя дорожками на поверхности печатной платы и используется для оценки  сопротивления основного материала платы, помогая рассчитать величину сопротивления изоляции между дорожками. Показатель CTI показывает, насколько  материал печатной платы подвержен воздействию окружающей среды, например, грязи и влаги. Чем больше значение CTI, тем выше устойчивость материала  к пробою. Так, CTI ламинатов FR4 составляет 175, а у специальных материалов достигает 600. Значения CTI позволяют оценить общую устойчивость  печатной платы к поверхностному разряду, а также вероятность возникновения утечки или короткого замыкания, что особенно важно для плат с высокой плотностью компонентов, где расстояние между дорожками минимально.

Таким образом, CTI можно назвать критически важным показателем при выборе материала платы. Подложка с более высоким CTI обеспечивает лучшую устойчивость к электрическому пробою. Согласно решению Международной электротехнической комиссии, все базовые материалы плат делятся на несколько классов по величине выдерживаемого испытательного напряжения (табл. 2).

Значения CTI помогают определить общую устойчивость платы к поверхностному разряду и оценить восприимчивость ее изоляционного материала к электрическому пробою. CTI указывает на напряжение, которое приводит к разрушению в результате пробоя после попадания на материал 50 капель 0,1 % раствора хлорида аммония.

Таблица 2. Классификация базовых материалов плат по сравнительным показателям пробоя

Путь утечки и значение CTI

При проектировании платы величина пути утечки (расстояния между линиями передач на плате, измеренное по поверхности) должна быть согласована со значением CTI основного материала: чем выше показатель CTI, тем меньше расстояние между проводниками платы.

Вычисление расстояний между проводниками

При расчете величины зазора между проводниками следует учитывать те условия, в которых предстоит функционировать печатной плате:

• рабочее напряжение;
• степень загрязненности воздуха;
• колебания температуры;
• уровень влажности окружающей среды, который оказывает влияние на вероятность возникновения дуги и напряжения пробоя в воздухе (рис. 2);
• накопление между проводниками твердых частиц, которые задерживают влагу и загрязнения на поверхности платы, сокращая тем самым путь утечки.

Помимо упомянутых факторов при проектировании необходимо учитывать и те параметры, которые поддаются контролю на этом этапе, а именно схему размещения компонентов, способ последующей сборки платы и нанесение конформного покрытия. При двустороннем монтаже SMD ­компонентов на плату требуется сохранять корректные зазоры между ограничивающей поверхностью и точками соединения сквозных отверстий. В высоковольтных цепях с одинаковым потенциалом увеличение зазора между проводящими дорожками не требуется. Однако в смешанных схемах необходимо тщательно соблюдать  величину зазоров между цепями низкого и высокого напряжений.

Снизить риск возникновения проблем, связанных с некорректно выбранной величиной зазоров, можно при помощи защитного покрытия. Конформное покрытие наносится в соответствии с требованиями проекта. Таким образом, существует множество критериев — как внешних (относящихся к условиям окружающей среды), так и внутренних (относящихся к самой плате), которые разработчик  должен принимать во внимание при расчете расстояний между проводниками на стадии создания проекта печатной платы. Рассмотрим подробнее некоторые из них.

Рабочее напряжение печатной платы

Международные стандарты трактуют термин «рабочее напряжение» как максимальное напряжение, которому подвергается рассматриваемая часть прибора, когда тот функционирует при номинальном напряжении и в условиях нормальной работы. Чтобы определить рабочее напряжение печатной платы при  заданном рабочем напряжении сети, следует оценить как пиковое, так и среднеквадратичное значение (СКЗ) напряжения. Это необходимо для расчета  расстояний между проводниками. Пиковое значение напряжения постоянного тока определяет величину зазора, а СКЗ напряжения переменного тока —  величину пути утечки. Ниже приведен пример расчета минимального расстояния между линиями печатной платы, исходя из рабочего напряжения.

Вторичная цепь с рабочим напряжением 609 В должна выдерживать пиковое напряжение 2700 В согласно стандарту IEC­60950–1. Таким образом, СКЗ напряжения составит 2700 В ∙ √2 = 3818 В.

В соответствии со стандартом UL 796, для расчета требуемого минимального расстояния применяется критерий 1,6 кВ/мм. Таким образом, расстояние между двумя дорожками составит 3,818/1,6 = 2,39 мм.

В табл. 3 показано, как меняется размах напряжения в зависимости от рабочего напряжения согласно стандарту IEC­60950–1.

Таблица 3. Значения размаха напряжения, основанные на рабочих напряжениях

Степень загрязнения

Этот параметр указывает на то, как загрязняющие вещества влияют на уровень безопасности высоковольтных печатных плат. Классификация степеней загрязнения осуществляется в соответствии с количеством сухого загрязнения (пыли) и конденсата, которые присутствуют в окружающей среде. Чем выше эта степень, тем больше загрязнение пылью и конденсатом. В условиях сильной загрязненности для обеспечения безопасности электронной сборки  необходимо тщательно следить за соблюдением соответствующих требований к значению зазоров между проводящими дорожками. Степень загрязнения варьируется в зависимости от количества загрязняющих веществ и уровня влажности в атмосфере. В соответствии со стандартом IEC 60947–1, степень  загрязнения можно разделить на следующие основные категории.

1. Загрязнения 1‑й степени: нулевое загрязнение, или сухая окружающая среда. Допустимо присутствие непроводящих загрязнений, которые не вредны для  работы электронных схем. Примеры: герметичные корпуса или изделия, залитые компаундом.

2. Загрязнения 2‑й степени: в основном, это непроводящие загрязнения. Однако существует вероятность появления временного токопроводящего загрязнения, вызванного конденсатом. Пример: загрязнения в помещении лаборатории.

3. Загрязнения 3‑й степени: проводящее загрязнение, возникающее из­за влажности или пыли в окружающей среде, например, в цехах тяжелых  ромышленных производств.

4. Загрязнения 4‑й степени: имеется стойкая проводимость, вызванная избытком влажности и пылью. Как правило, речь идет о внешних условиях  окружающей среды, к которым относятся дождь или снегопад.

Снизить влияние загрязнения на функционирование электронного устройства можно при помощи некоторых конструктивных особенностей:

• правильно рассчитанное расстояние между проводящими линиями платы помогает избежать утечек, обеспечивая надежность эксплуатации устройства в условиях загрязненности;
• воздействие загрязнения 1­й степени можно предотвратить путем герметизации изделия;
• загрязнение 2­й степени можно снизить с помощью вентиляции, которая исключит накопление влаги или частиц пыли;
• для уменьшения влияния загрязнений 3­й степени применяются корпуса, которые защищают электронное изделие от внешних факторов окружающей  среды, например от влажности.
• уменьшить степень загрязнения помогают обогреватели, что особенно важно в случае бесперебойно работающих устройств. Обогрев позволяет   избежать охлаждения и, следовательно, образования конденсата.

Изоляция

Изоляционный материал действует как физический барьер между высоковольтными узлами, герметизируя или закрывая открытые высоковольтные линии. Обычно в случае недоступных электронных схем достаточен один уровень изоляции. Однако для защиты от опасного напряжения лучше использовать  вухуровневую изоляцию. Для ее реализации требуется соблюдать определенные правила. Изоляция также необходима для проводников цепей безопасного  верхнизкого напряжения (БСНН).

БСНН — электрические системы, в которых напряжение не может превысить сверхнизкое напряжение как при нормальных  условиях, так и при условиях единичного повреждения, включая замыкания на землю в других цепях. Системы БСНН работают при низкой мощности и напряжении в диапазоне ±3,3…±24 В постоянного тока. К ним относятся, например, разъемы ввода/вывода, кабели, подключенные к периферийным  устройствам, например к принтерам и клавиатурам.

Классификация типов изоляции

Различают пять типов изоляции: функциональная, основная, двойная,  дополнительная и усиленная. Разработчикам и производителям необходимо знать и  соблюдать требования к типу изоляции при проектировании и изготовлении печатных плат. Особое внимание следует уделять изоляции опасных напряжений  от цепей БСНН. В соответствии с международными стандартами, определены следующие типы изоляции.

1. Функциональная изоляция: обеспечивает надлежащую функциональность изделия, но не гарантирует безопасность.

2. Базовая (основная) изоляция: первый слой изоляции частей, находящихся под напряжением, который обеспечивает основную защиту.

3. Дополнительная изоляция: осуществляется путем добавления дополнительного слоя защиты (минимальной толщиной 0,4 мм) к основной изоляции.

4. Двойная изоляция: сочетает в себе функциональную, основную и дополнительную изоляцию.

5. Усиленная изоляция: дополнительная система изоляции, которая достаточно прочна, чтобы эффективно работать так, как если бы использовалась система двойной изоляции. Эти стандарты безопасности помогаютразработчикам защитить электронную схему  от единичных отказов. Появления одиночных повреждений можно  избежать при помощи двойной или усиленной изоляции, ко торая обеспечивает более надежную защиту благодаря наличию второго  слоя.

Образование проводящих анодных нитей (CAF)

Проводящая анодная нить — дефект в виде металлической нити, возникающий в результате электромиграции меди в печатной плате и вызывающий ее отказ. Проводящие анодные нити могут формироваться в условиях, когда между медными проводниками имеется разность потенциалов. CAF­нити образуются  между сквозными отверстиями, линиями, сквозными отверстиями и линиями, а также между слоями. Чаще всего эти нити появляются при переходе от  отверстия к отверстию, как на рис. 3.

Ключевыми факторами, провоцирующими возникновение нитей, являются напряженность электрического поля, повышение температуры или влажности, тип
базового материала платы, нарушение технологических процессов при изготовлении платы. Этот дефект может быть вызван воздействием испытательного  напряжения или напряжения смещения (напряжение, приложенное при тестировании устройства). В наибольшей степени образованию проводящих анодных  нитей подвержены платы с высокой плотностью размещения компонентов, поскольку из­за дефицита площади проводящие линии на таких платах  расположены очень близко друг к другу. Чаще всего металлические нити формируются между медным анодом и медным катодом, что, в конечном итоге,  приводит к электрическому пробою электронной схемы.

Возникновение дефекта CAF происходит в два этапа: 1) деградация границы раздела смола–стекло¹; 2) электрохимическая миграция меди, вызывающая рост самой нити. При этом деградация границы раздела смола–стекло является обратимым процессом, так как сопротивление изоляции материала  восстанавливается после отжига и сушки. Второй этап считается необратимым. Скорость образования CAF­нитей зависит от испытательного напряжения,  относительной влажности, расстояния между проводящими линиями, характеристик базового материала подложки и температурного режима.

¹ Деградация границы раздела смола–стекло происходит в результате следующей реакции на печатной плате:
на аноде:
Cu → Cu(n+) + ne(–)
H₂O → 1/2O₂ + 2H + 2e(+);
на катоде:
H₂O + e (–) → 1/2H₂ + 2OH(+)

Определение  типа цепи печатной платы

Чтобы определить тип цепи печатной платы, необходимо соотнести каждый блок цепи с классом напряжения: безопасное сверхнизкое напряжения (БСНН),  сверхнизкое напряжение (СНН), среднее вторичное и первичное напряжения, высокое напряжение и т. д. Электрические цепи на печатной плате классифицируютcя следующим образом.

1. Класс 0: отсутствует защитное заземление, имеется один уровень изоляции, рекомендуется эксплуатация в сухих помещениях; малейшая неисправность может привести к поражению электрическим током. Запрещен в большинстве стран ЕС.

2. Класс 01: аналогичен классу 0, но имеет клемму заземления, которая, тем не менее, не востребована, поскольку используются двухпроводные кабели.

3. Класс I: поскольку в качестве одного уровня изоляции используется защитное заземление (например, заземленный металлический корпус), требуется  только базовая изоляция между корпусом и любой частью опасного напряжения.

4. Класс II: используется двойная или усиленная изоляция, чтобы исключить необходимость в заземленном металлическом корпусе, а также в заземленной  вилке питания.

5. Класс III: питается от источника БСНН и не создает опасное напряжение, поэтому требует только функциональной изоляции.

Для каждого класса следует  использоватьсоответствующий тип изоляции.

Расстояние между компонентами печатной платы

В ряде случаев электробезопасность печатной платы является фактором наивысшего приоритета. В такой ситуации ключевое значение приобретают пути  утечки и зазоры. Следует помнить, что рекомендуемые величины расстояний между клеммами, разъемами и компонентами печатной платы четко определены  в международных стандартах. Для лучшего понимания эти расстояния можно разделить на два вида расстояний между неизолированными:

• токоведущими частями и другими неизолированными металлическими частями (расстояние между клеммами и радиаторами, шасси, металлическими  коробками, шкафами и т.д.);
• частями под напряжением противоположной полярности (клеммы, разъемы, оголенные провода, а также расстояния между соседними компонентами и т.д.).

Одним из способов, позволяющих повысить электробезопасность платы, является герметизация клемм с использованием высокотемпературного силикона. Эта мера позволяет увеличить путь утечки и снизить появление загрязнений, что, в свою очередь, минимизирует риски образования полостей и пустот в  процессе осаждения и предотвращает возникновение проблем с изоляцией.

Рекомендации по проектированию плат с учетом обеспечения надежности и  электробезопасности

Зачастую слишком малый зазор становится причиной перенапряжения, что может вызвать замыкание между соседними проводящими дорожками. Чтобы  предотвратить возникновение дефектов, связанных с зазорами и утечками, необходимо следовать следующим рекомендациям.

1. Значение расстояния между цепями высокого и низкого напряжения должно соответствовать требованиям стандартов.

2. Изгибы дорожек на печатной плате не должны образовывать острые углы. Закругляйте углы при проектировании дорожек.

3. Базовый материал для силовой печатной платы должен обладать высокой диэлектрической проницаемостью и высоким CTI. Это позволяет минимизировать  риски пробоя изоляции платы и повышает надежность электронной сборки, работающей в условиях высокого напряжения.

4. Нанесение конформного покрытия позволят защитить плату от внешнего загрязнения. Кроме того, состав конформного покрытия представляет собой  диэлектрик, который обеспечивает изоляцию поверхности печатной платы.

5. Для повышения надежности силовой платы можно сделать несквозной паз между дорожками или вертикальные изоляционные барьеры. Использование V­-образной канавки, паза с параллельными сторонами или прорези в конструкции печатной платы поможет эффективно решить проблемы утечки тока.

Повышение плотности компоновки при сохранении заданного пути утечки

Нередко встречаются ситуации, когда необходимо соблюсти и минимальную допустимую длину пути утечки, и высокую плотность компоновки. В таких случаях применяются описанные ниже методы (рис. 4).