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    Verwendung eines IPC-2221-Rechners für Hochspannungs-Designs

    Zachariah Peterson
    |  January 17, 2020
    IPC-2221 Rechner
    Sie sind sich nicht sicher, welche Anforderungen der Leiterabstand bei Ihren Hochspannungsplatinen erfüllen muss? Ein IPC-2221-Rechner kann helfen.

    PCB Design- und Montagestandards sind nicht dafür da, um Ihre Produktivität zu beeinträchtigen. Stattdessen sollen sie dazu beitragen, in verschiedenen Branchen einheitliche Erwartungen an Produktdesign und Produktleistung zu schaffen. Mit der Standardisierung kommen die Tools für deren Einhaltung, z.B. Rechner für bestimmte Designaspekte, Prozesse für Audits und Inspektionen und vieles mehr.

    Für Hochspannungs-PCB-Design ist IPC-2221 für Strombelastbarkeit der wichtige generische Design-Standard. Hier sind viele wichtige Designaspekte zusammengefasst, von denen einige auf einfache mathematische Formeln hinauslaufen. Bei Hochspannungsplatinen können Sie mit einem Rechner schnell die entsprechenden Abstandsanforderungen zwischen leitenden Elementen auf Ihrer Platine ermitteln und somit sicherstellen, dass Ihre nächste Hochspannungsplatine bei Betriebsspannung sicher bleibt. Wenn Ihre Design-Software diese Spezifikationen als automatisierte Designregeln enthält, steigert dies Ihre Produktivität beim Entwickeln der Platine und Sie können Layoutfehler vermeiden.

    Was ist IPC-2221?

    Der PCB-Design-Standard IPC-2221 ist ein allgemein anerkannter Industriestandard, der eine Vielzahl von PCB-Designaspekten definiert. Dazu gehören unter anderem Design-Anforderungen an Materialien (einschließlich Substrate und Beschichtungen), Testbarkeit, Wärmemanagement und Wärmereliefs sowie Lötaugen, um nur einige zu nennen. Bei dem Design von Hochspannungsplatinen sind wichtige Designanforderungen im IPC-2221B-Standard festgelegt. Beachten Sie, dass IPC nur Mindestleiterabstandswerte für Spannungen bis 500 V angibt. Für die Berechnung der Mindestleiterabstandswerte für Spannungen über 500 V werden einfache Formeln bereitgestellt.

    Die Liste der definierten Mindestabstandswerte für elektrische Leiter enthält ein Set an Anforderungen, die ein Versagen der Metallmigration verhindern sollen. Metallmigration gehört zu den vielen Versagensmechanismen bei Hochspannungsdesigns mit hoher Leiterdichte. Wenn zwei Leiter auf ein hohes Potenzial gebracht werden, kann ein elektrochemisches Wachstum von metallischen Dendriten auftreten, wenn die Leiter Rückstände mit wasserlöslichen Salzen enthalten; Ein REM-Bild des dendritischen Wachstums zwischen zwei Lotkugeln sehen Sie unten. Diese metallischen Dendriten können zwei Punkte auf einer Platine mit hoher Dichte kurzschließen. Dies ist ein elektrischer Feldeffekt und der Grund, warum ein Mindestabstand erforderlich ist. Wird der Abstand zwischen Leitern für eine gegebene Potentialdifferenz erhöht, wird das Feld zwischen den Leitern verringert, wodurch das Dendritenwachstum gehemmt wird.

    Dendritischen Wachstums zwischen zwei Lotkugeln
    REM-Aufnahme des dendritischen Wachstums zwischen zwei Lotkugeln Bildquelle.

    Falls Ihr Produkt nicht unter die strengeren UL- oder IEC-Normen fällt (mehr dazu weiter unten), gibt es einen einfachen Datensatz und eine Formel, mit der Sie den minimalen Leiterabstand auf Ihrer Platine bestimmen können. Diese Daten sind eine Funktion der verwendeten Spitzenspannung und der möglichen Beschichtung auf Ihrer Platine, wie in der folgenden Tabelle gezeigt. Wenn Sie den minimalen Leiterabstand zwischen zwei Spannungswerten bestimmen müssen, können Sie eine lineare Approximation (Interpolation) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten verwenden.

    Tabelle mit IPC-2221B Anforderungen an Leiterabstände.
    IPC-2221B Anforderungen an Leiterabstände.

    Wenn Sie sich die Elektronikstandards für verschiedene Branchen und Anwendungen ansehen, finden Sie eine Vielzahl von Sicherheitsstandards, die unterschiedliche Anforderungen an den Leiterabstand vorgeben. Der IPC-9592B-Standard bietet Anforderungen an den Leiterabstand für Stromumwandlungsgeräte. Diese Standards sind ziemlich konsistent, wenn sie zusammen mit dem in IPC-2221B angegebenen erforderlichen Leiterabstand grafisch dargestellt werden. In der folgenden Tabelle sind die Abstandsanforderungen unter IPC-9592B angegeben. Beachten Sie, dass hier der minimal erforderliche Leiterbahnenabstand als Funktion der Spitzenspannungswerte definiert wird.

    Tabelle mit IPC-2221B Anforderungen für Stromumwandlungsgeräte
    Anforderungen an den Leiterabstand nach IPC-9592B für Stromumwandlungsgeräte.

    Beide Normenwerke enthalten Formeln, die einfach in eine Rechneranwendung programmiert werden können. Sie können viele Rechneranwendungen im Internet finden, einschließlich IPC-2221B-Rechner für Leiterbahnabstände. 

    Arbeiten mit einem integrierten Rechner

    Wenn Ihre Designsoftware einen Rechner als Bestandteil Ihrer Designregeln enthält, müssen Sie die Leiterbahnbreiten oder Abstände nicht manuell berechnen, um einen Ausfall zu verhindern. Diese Art von Software kodiert den erforderlichen Abstand als Designregel, die beim Erstellen Ihres PCB-Layouts automatisch überprüft wird. Wenn Sie ein höheres Maß an Sicherheit für Ihr neues Produkt gewährleisten möchten, können Sie jederzeit einen größeren erforderlichen Leiterbahn- und/oder Bauteilabstand in Ihre Designregeln kodieren.

    Während Sie Bauteile und Leiterbahnen auf Ihrer Hochspannungsplatine anordnen, werden die Abstände automatisch überprüft. Die Möglichkeit, die Abstände zwischen Leiterbahnen und Bauteilen automatisch zu überprüfen, erspart Ihnen Fehler und verringert das Ausmaß der erforderlichen Platzierungsänderungen. Einige Designregeln führen diese wichtigen Überprüfungen erst durch, wenn Sie Ihr Layout fertiggestellt haben. Dadurch besteht das Risiko, dass Sie umfangreiche Änderungen vornehmen müssen, wenn Bauteile zu eng beieinander platziert wurden. Die Arbeit mit Design-Tools, mit denen Sie Abstände von Anfang an festlegen können, verringert diese Risiken und stellt Ihre Produktivität sicher.

    Beachten Sie, dass die IPC-2221-Standards freiwillig sind. Für Produkte, die unter die gesetzlichen Sicherheitsnormen fallen, sind Luft- und Kriechstreckenanforderungen in dem jeweiligen UL- oder IEC-Standard jedoch verbindlich. Die relevanten Sicherheitsanforderungen für IT- und Telekommunikationsprodukte mit Wechselstrom- und Batterieleistung finden Sie beispielsweise in den Normen IEC-60950-1 (2. Ausgabe) oder UL 60950-1. In Bezug auf Kriechstrecken hängt der unter IPC-2221B angegebene Abstand von der effektiven Arbeitsspannung, dem Verschmutzungsgrad (von 1 bis 3) und der Materialgruppe ab. Die Definitionen der beiden letztgenannten Begriffe finden sich in den Normen UL 60950-1. Unabhängig davon, ob Sie UL, IEC oder andere erforderliche Sicherheitsstandards einhalten müssen, können Sie mit der richtigen PCB-Designsoftware Ihre Designanforderungen als Designregeln festlegen.

    Die CAD-Tools und Routing-Funktionen in Altium Designer® basieren auf einer einheitlichen regelgesteuerten Design-Engine, die Ihr Layout beim Erstellen Ihrer Platine automatisch überprüft. Anstatt einen manuellen IPC-2221-Rechner zu verwenden, sparen Sie sich mit diesen Designfunktionen Zeit und Mühe bei der Erstellung Ihrer nächsten Hochspannungsplatine. Sie haben auch Zugriff auf alle Dokumentationsfunktionen, mit denen Sie sich auf die Herstellung und Montage vorbereiten können.

    Sie können jetzt eine kostenlose Testversion von Altium Designer herunterladen und mehr über die branchenweit besten Tools für Layout, Simulation und Produktionsplanung erfahren, und mit der Kombination von Altium 365 steht Ihnen zudem eine PCB-Cloud-Plattform für eine bessere Zusammenarbeit zur Verfügung. Sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten, um mehr zu erfahren.

    About Author

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    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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