PCB-Leiterbahnabstände: Tabelle für niedrige vs. hohe Spannung

Zachariah Peterson
|  Erstellt: April 28, 2020  |  Aktualisiert am: December 11, 2021
Die richtigen Leiterbahnabstände verhindern ESD und Geräuschunterdrückung

Hochspannungs-/Hochstrom-Designs stellen Sicherheitsanforderungen an Leiterbahnabstände, die von den Designern erfüllt werden müssen. Ebenso müssen Hochgeschwindigkeitsdesigns ein unterdrücktes Übersprechen aufweisen, um die Signalintegrität zu gewährleisten. Die wichtigsten Designaspekte, die sich auf beide Bereiche beziehen, sind die Werte von PCB-Leiterbahnabstand und Pad-Abstand. Diese Designentscheidungen sind entscheidend für das Gleichgewicht zwischen Sicherheit, Geräuschunterdrückung und Herstellbarkeit. In diesem Artikel erklären wir, was Sie beachten müssen, und stellen Ihnen die Leiterbahnabstände in einer Tabelle zur Verfügung.

Die IPC 2221-Standards umfassen Anleitungen zur Verhinderung von ESD zwischen den Leitern, aber nicht alle Leiterplatten müssen diesen Standard erfüllen. Je nach Spannung und Frequenz Ihrer Signale (bzw. Flankenrate bei digitalen Signalen) benötigen Sie möglicherweise einen anderen Wert für Ihren Leiterbahnabstand. Hier erfahren Sie, wie Sie diese beiden Aspekte Ihres PCB-Layouts ausbalancieren und gleichzeitig die Herstellbarkeit gewährleisten.

Niederspannung (

Gemäß den IPC 2221-Standard beträgt der Mindestabstand zwischen Leiterbahnen (eigentlich der Abstand zwischen zwei Leitern) für Allzweckgeräte 0,1 mm oder 4 mils. Für Spannungswandler beträgt dieser Mindestabstand 0,13 mm bzw. 5,1 mils. Diese Leiterplatten können kaum als "Hochspannungsleiter" bezeichnet werden, und die Leiterabstände bei diesen Leiterplatten grenzen schon an den HDI-Bereich.

Bei diesen Spannungen können Sie mit digitalen Signalen, niederfrequenten Analogsignalen oder einfach mit Gleichstrom bei mäßigem Strom arbeiten. Bei digitalen Signalen besteht die typische Regel darin, einfach die 3W-Regel zu befolgen, wobei der Abstand zwischen den Leiterbahnen die Breite der Leiterbahn verdreifacht. Bei einem typischen 50-Ohm-Mikrostreifen mit kontrollierter Impedanz beträgt die Leiterbahnbreite ~20 mils, so dass der empfohlene Leiterbahnabstand 60 mils beträgt. Mit diesen Leiterbahnen erfüllen Sie die IPC 2221-Anforderungen immernoch ausreichend, und Ihr Hauptaugenmerk sollte auf effizientem Routing und DFM liegen. Selbst im HDI-Bereich, wo Sie möglicherweise zwischen Fine-Pitch-Pads in einem BGA routen müssen, brauchen Sie sich über diese Spannungsanforderungen keine Gedanken zu machen, da Sie im Allgemeinen mit 3,3 V oder ~1 V arbeiten.

Leiterbahnabstand für dünne Leiter
Wenn Ihr Routing so knapp ist, befinden Sie sich immer noch innerhalb der Anforderungen für Leiterbahnabstände. Konzentrieren Sie sich in dem Fall auf Signalintegrität und DFM.

Leiterbahnabstand 230V: Hochspannung (>15 V)

Bei einer hohen Gleichspannung (ab 15V) geht es bei der Wahl des Leiterbahnabstands in erster Linie darum, ESD und dendritisches Wachstum zwischen den freiliegenden Leitern zu verhindern. Bei hoher Wechselspannung oder bei einem Schaltregler, der hohe Ströme aussendet, muss man sich nun Gedanken über das Übersprechen sowie über ESD und dendritisches Wachstum machen. In den Richtlinien zur Unterdrückung des Übersprechens wird der erforderliche Spannungsabstand zwischen den Leitern immer noch zu hoch angesetzt, bis man sehr hohe Spannungen erreicht.

Um zu sehen, wie Sie zwischen IPC 2221 und der Unterdrückung des Übersprechens ein Gleichgewicht finden müssen, betrachten Sie die folgende hypothetische Situation. Angenommen, Sie haben einen Mikrostreifen mit kontrollierter Impedanz (20 mil breit) in der Nähe einer Hochspannungs-Wechselstromleitung oder in der Nähe von Leiterbahnen, die in/aus einem Hochstrom-Gleichstromregler laufen. Wenn Sie die "3W"-Regel befolgen, sollte der Abstand zwischen parallelen Mikrostreifen und der nahen Hochspannungsleitung 1,5 mm oder ~60 mils betragen. Dies ist mehr als genug, um die Anforderungen der IPC 2221 zu erfüllen, bis der Hochspannungspegel für Spannungsumwandler 180 V, 230CV oder für andere Hochspannungsprodukte 340 V erreicht.

Bei Hochspannung geht es weniger um die digitale Flankenrate als vielmehr um die Frequenz einer Hochspannungs-Wechselstromleitung. Jedes oszillierende Signal kann ein Übersprechsignal in einer nahe gelegenen Leiterbahn induzieren, wenn die Leiterbahnen nahe beieinander liegen; dies ist ein bekanntes Rauschproblem bei Hochspannungs-Gleichstromreglern und ihren nachgeschalteten Signalleitungen. Bei hohen Ausgangsströmen kann ein solches Übersprechen zu unbeabsichtigten Schaltvorgängen in digitalen Hochgeschwindigkeitskomponenten führen. Optimalerweise müsste ein größerer Abstand zwischen einer Hochspannungs-Wechselstromleitung und benachbarten Gleichstrom- oder Digitalleitungen gewählt werden.

Zusammenfassung

Im Allgemeinen können wir für Leiterbahn und Pad Regeln in drei verschiedene Bereichen basierend auf der Spannung definieren. In den beiden unteren Reihen sollten Sie die erforderlichen Abstände unter Verwendung des IPC 2221-Standards berechnen, wenn Sie bestimmen, in welchem Bereich Sie arbeiten möchten. Beachten Sie, dass die Abstände in dem oben genannten Artikel verkleinert werden können, wenn die Leiterbahnen beschichtet sind oder sich auf Innenlagen befinden.

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Vergewissern Sie sich, dass Sie den Unterschied zwischen Kriech- und Luftstrecken in Ihrem Design berücksichtigen. Achten Sie auch darauf, dass die Leiterbahnen breit genug sind, um genügend Strom zu führen, ohne zu heiß zu werden. Dies kann mit dem Nomogramm IPC 2152 überprüft werden.

Sobald Sie die besten Leiterbahn- und Padabstände für Ihre Leiterplatte ermittelt haben, müssen Sie diese Werte als Design-Regeln in Ihrer ECAD-Software kodieren. Mithilfe der einheitlichen Design-Engine in Altium Designer® können Sie die erforderlichen Werte für Leiterbahnen und Pad als Design-Regeln definieren, und diese Design-Regeln werden beim Routing Ihrer Leiterplatte sofort überprüft. Das macht Altium Designer zur idealen Anwendung für Niedrigspannungs-Design-Aufgaben sowie für Hochspannungs- und Hochfrequenz-Designs.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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