Dobór odstępów izolacyjnych na PCB jest jednym z tych zagadnień, które wyglądają prosto tylko w projektach niskonapięciowych. Przy napięciach rzędu 3,3 V czy 5 V zwykle decydujące okazują się ograniczenia technologiczne producenta płytek, ale już przy kilkudziesięciu woltach trzeba rozważać odstępy powietrzne i powierzchniowe oraz wymagania norm dotyczących konkretnych grup urządzeń.
Odstępy między ścieżkami – ile milsów wystarczy?
Błędy związane z zastosowaniem zbyt małych odstępów pomiędzy ścieżkami i padami na PCB rzadko objawiają się natychmiastowym przebiciem – często problemem jest powolna degradacja powierzchni PCB, zawilgocenie, zabrudzenia jonowe czy też pył przewodzący gromadzący się na laminacie. Odstęp między ścieżkami powinien zatem wynikać nie tylko z napięcia roboczego, lecz także z kategorii przepięciowej, stopnia zanieczyszczenia, wysokości pracy (n.p.m.), rodzaju izolacji i CTI materiału. Poniżej zebraliśmy pięć fundamentalnych zasad, które pozwalają traktować odstępy izolacyjne jako świadomie dobrane parametry projektu, a nie przypadkowo lub intuicyjnie ustawione wartości w regułach DRC.
1. Odstęp odstępowi nierówny, czyli clearance ≠ creepage
Pierwszy, niezwykle często popełniany błąd projektowy polega na używaniu słowa „odstęp” bez doprecyzowania, o ochronę przed jakim dokładnie mechanizmem potencjalnego uszkodzenia chodzi.
- Clearance (odstęp powietrzny) to najkrótsza odległość między przewodnikami mierzona przez powietrze. Odstęp ten ogranicza ryzyko przeskoku iskry lub przebicia w powietrzu.
- Creepage (odstęp powierzchniowy) to najkrótsza droga między przewodnikami mierzona po powierzchni materiału izolacyjnego. Odstęp powierzchniowy ogranicza przepływ prądów upływu i ryzyko wystąpienia zjawiska określanego mianem tracking, czyli tworzenia przewodzących ścieżek na zabrudzonej i/lub zawilgoconej powierzchni laminatu.
W prostym przypadku dwóch równoległych ścieżek na tej samej stronie PCB obydwa parametry (clearance i creepage) mają identyczną wartość. Jeżeli jednak między ścieżkami znajduje się wycięcie w laminacie, frezowany slot, bariera izolacyjna, otwór montażowy pod śrubę lub też krawędź płytki, odstępy zaczynają się diametralnie różnić. W szczególności, slot (podłużna szczelina w laminacie) może znacząco wydłużyć drogę upływu (creepage) – co jest powszechnie wykorzystywane do budowy barier galwanicznych m.in. w zasilaczach sieciowych – ale nie zwiększa odstępu w powietrzu (clearance).
2. Nie mieszaj pojęć izolacji z ograniczeniami technologicznymi produkcji
W projektach zasilanych napięciami rzędu 3,3 V, 5 V, 12 V czy nawet 24 V minimalny odstęp między ścieżkami wynika zazwyczaj z możliwości produkcyjnych i wymagań DFM, a nie z rzeczywistego ryzyka przebicia. Typowe reguły dla standardowych PCB to 0,15…0,20 mm (tj. 5…8 mil) dla szerokości ścieżek i odstępów izolacyjnych, choć oczywiście nie jest to sztywna reguła – bardziej wyspecjalizowane firmy bez problemu są w stanie zejść do 4 mil (0,10 mm), a nawet 3 mil, czyli nieco poniżej 0,08 mm (!) – oczywiście za dodatkową opłatą. Mniej zaawansowane fabryki PCB unikają najczęściej odstępów mniejszych niż 6 mil.
Nie oznacza to jednak, że każdą płytkę warto projektować na granicy technologicznych możliwości producenta. Dla zwykłych sygnałów cyfrowych można używać małych odstępów, ale dla zasilania, złączy, komponentów THT, obwodów narażonych na wyładowania ESD, czy też obwodów podatnych na gromadzenie zabrudzeń w czasie eksploatacji warto przyjąć większy zapas, np. 0,25 mm (10 mil) lub więcej.
Dobra praktyka polega na rozdzieleniu reguł DRC na klasy sieci, np.:
- sygnały logiczne niskonapięciowe,
- zasilanie niskonapięciowe,
- linie narażone na ESD,
- obwody wysokiego napięcia,
- strony: pierwotna i wtórna izolowanej przetwornicy, transformatora, transoptora, etc.,
- obwody o kontrolowanej impedancji.
Minimalny odstęp technologiczny nie powinien być zatem automatycznie odstępem dla całego projektu.
3. Używaj IPC-2221 jako punktu startowego, a nie jako uniwersalnej odpowiedzi na wszystkie pytania
W wielu projektach pierwszym punktem odniesienia jest tabela odstępów pomiędzy przewodnikami, pochodząca ze standardu IPC-2221. Dla zewnętrznych, niepokrytych przewodników, pracujących na wysokości do 3050 m n.p.m., często cytowane wartości z IPC-2221 wynoszą orientacyjnie:
- 0…30 V: 0,10 mm (4 mil),
- 31…150 V: 0,60 mm (24 mil),
- 151…300 V: 1,25 mm (50 mil),
- 301…500 V: 2,50 mm (100 mil),
- powyżej 500 V: 0,05 mm/V (2 mil/V)
Dla przewodników na warstwach wewnętrznych wartości są mniejsze, np.:
- 0…30 V: 0,05 mm (2 mil),
- 31…100 V: 0,10 mm (4 mil),
- 101…300 V: 0,20 mm (8 mil)
- 301…500 V: 0,25 mm (10 mil).
Uwaga: norma IPC-2221 operuje na jednostkach metrycznych (milimetrach), natomiast zaokrąglone wartości imperialne w nawiasach (milsy) podano dla ułatwienia.
Dla napięć powyżej 500 V standard IPC-2221B podaje zależności liniowe. W przypadku zewnętrznych, niepokrytych przewodników można spotkać wzór:
S = 2,5 mm + 0,005 · (U – 500)
gdzie S jest minimalnym odstępem w milimetrach, a U napięciem w woltach. Przykładowo dla napięcia 1000 V daje to:
S = 2,5 mm + 0,005 · (1000 – 500) = 5,0 mm
Trzeba jednak pamiętać, że IPC-2221 jest ogólnym standardem projektowania PCB. W urządzeniach podlegających ocenie bezpieczeństwa elektrycznego nadrzędne będą zwykle normy produktowe, np. IEC 61010-1 (wymagania bezpieczeństwa dotyczące sprzętu pomiarowego i laboratoryjnego oraz urządzeń automatyki) czy IEC 60601-1 (norma dot. bezpieczeństwa podstawowego medycznych urządzeń elektrycznych).
4. Dla urządzeń sieciowych sprawdzaj IEC 60664-1 i normę produktową
W sprzęcie zasilanym z sieci energetycznej nie wystarczy powiedzieć: „na PCB jest 230 V”. Projektant musi określić co najmniej:
- napięcie robocze,
- kategorię przepięciową, np. OVC II lub OVC III,
- stopień zanieczyszczenia, np. PD2 albo PD3,
- wysokość pracy nad poziomem morza,
- rodzaj izolacji: funkcjonalna, podstawowa, podwójna czy też wzmocniona,
- grupę materiałową laminatu wynikającą ze wskaźnika CTI (Comparative Tracking Index), czyli ustandaryzowanej miary odporności materiału na przebicie.
W praktycznym urządzeniu biurowym lub konsumenckim często zakłada się Pollution Degree 2 (PD2), czyli środowisko, w którym zanieczyszczenia są zasadniczo nieprzewodzące, ale mogą okresowo stać się przewodzące wskutek kondensacji. Dla środowiska przemysłowego, zapylonego, wilgotnego lub z możliwością kondensacji założenie PD2 będzie zdecydowanie zbyt optymistyczne…
Materiał PCB również ma znaczenie. Typowy laminat szklano-epoksydowy (FR-4) może należeć do grupy materiałowej II lub IIIa, zależnie od CTI. Im niższa odporność na zjawisko trackingu, tym dłuższa jest wymagana droga upływu. Dlatego w zasilaczach, falownikach, modułach mocy i innych urządzeniach elektronicznych pracujących przy kilkuset woltach warto jawnie określić wymagany CTI laminatu w dokumentacji produkcyjnej.
5. Nie uwzględniaj soldermaski jako izolacji bezpieczeństwa
Soldermaska w oczywisty sposób zabezpiecza ścieżki przed korozją, ogranicza przypadkowe zwarcia i pomaga w montażu, ale w projektach certyfikowanych nie powinna być traktowana jako pełnoprawna izolacja bezpieczeństwa. Jeżeli wymagane odstępy powierzchniowe i powietrzne nie są spełnione w samej geometrii miedzi, to soldermaska nie rozwiąże problemu.
Inaczej należy traktować certyfikowaną powłokę konformalną, zalewę lub izolację konstrukcyjną, ale tylko wtedy, gdy dana norma i proces produkcyjny rzeczywiście to dopuszczają. Powłoka musi być dobrana pod względem materiałowym, kontrolowana technologicznie i uwzględniona w ocenie zgodności wyrobu. W praktyce najbezpieczniejszym rozwiązaniem jest zaprojektowanie wymaganych odstępów w samej geometrii PCB i potraktowanie powłoki jako dodatkowej ochrony środowiskowej.
Jeżeli na PCB brakuje miejsca na zastosowanie odstępów powierzchniowych w layoucie wszędzie tam, gdzie to potrzebne, typowe techniki stosowane do poszerzania bariery izolacyjnej to m.in.:
- frezowane sloty między stroną pierwotną i wtórną,
- wycięcia pod transoptorami, transformatorami i przekaźnikami,
- stosowanie komponentów o odpowiednim rastrze, rozstawie pinów i deklarowanej izolacji.
Zawsze należy też pamiętać o tym, by:
- odsunąć krawędzie polygonów od obszarów wysokiego napięcia,
- usunąć miedź spod elementów izolacyjnych (zwykle także na innych warstwach niż ta, na której znajduje się komponent),
- zwiększyć odległości ścieżek od krawędzi PCB.
Podsumowanie
Dobór odstępów izolacyjnych na PCB wymaga wyraźnego rozróżnienia dwóch zjawisk: przebicia w powietrzu oraz upływu po powierzchni laminatu. Dla niskich napięć zwykle wystarczają reguły technologiczne i zdrowy zapas projektowy, natomiast dla obwodów sieciowych, wysokonapięciowych i izolowanych trzeba korzystać z IPC-2221, IEC 60664-1 oraz odpowiedniej normy produktowej. Projektant powinien zdefiniować osobne reguły DRC dla różnych klas sieci, uwzględnić CTI laminatu, stopień zanieczyszczenia, kategorię przepięciową i wysokość pracy n.p.m. Warto też pamiętać, że jeżeli projekt ma przejść badania bezpieczeństwa (a najczęściej tak właśnie jest), odstępy izolacyjne trzeba zaplanować na etapie schematu i rozmieszczenia elementów, a nie korygować dopiero po zakończeniu routingu.
