IPC-2221-Abstandsrechner für Hochspannungsdesigns

Design- und Montagestandards für Leiterplatten wie IPC-2221 sind nicht dazu da, Ihre Produktivität einzuschränken. Sie sollen vielmehr dabei helfen, branchenübergreifend einheitliche Erwartungen an Produktdesign und -leistung zu schaffen. Mit der Normung kommen auch die Werkzeuge für die Einhaltung der Vorschriften, wie z. B. Rechner für bestimmte Designaspekte, Verfahren für Audits und Inspektionen und vieles mehr.

Beim Hochspannungs-PCB-Design lautet die wichtige generische Norm IPC-2221. Viele wichtige Aspekte sind in diesem Designstandard zusammengefasst, von denen einige auf einfache mathematische Formeln hinauslaufen. Für Hochspannungsleiterplatten kann Ihnen ein IPC-2221-Rechner dabei helfen, schnell die geeigneten Abstandsanforderungen zwischen leitenden Elementen auf Ihrer Leiterplatte zu bestimmen, was dazu beiträgt, dass Ihre nächste Hochspannungsplatine bei ihrer Betriebsspannung sicher bleibt. Wenn Ihre Designsoftware diese Spezifikationen als automatische Designregeln enthält, können Sie produktiv bleiben und Fehler im Layout vermeiden, während Sie Ihre Leiterplatte bauen.

Was ist IPC-2221?

IPC-2221 (Revision B seit 2012) ist ein allgemein akzeptierter Industriestandard, der für die Definition einer Vielzahl von PCB-Designaspekten verwendet wird. Einige Beispiele umfassen Designanforderungen für Materialien (einschließlich Substrate und Beschichtungen), Prüfbarkeit, Wärmemanagement und Wärmefallen sowie Restringe - um nur einige zu nennen.

Einige der Design-Richtlinien werden aber auch manchmal durch spezifischere Designstandards überschrieben. Zum Beispiel liefern die Designstandards IPC-6012 und IPC-6018 etwa Designspezifikationen für starre und Hochfrequenz-PCBs. Diese zusätzlichen Standards sollten eigentlich weitgehend mit den IPC-2221-Standards für generische Leiterplatten übereinstimmen. IPC-2221-Standards sind in der Regel jedoch nicht der Qualifizierungsstandard, der zur Bewertung von Produktzuverlässigkeit oder Produktionsausbeute/-mängel verwendet wird. Für starre Leiterplatten wird normalerweise entweder der IPC-6012- oder IPC-A-600-Standard für die Qualifizierung dieser spezifisch hergestellten Leiterplatten verwendet.

IPC-2221B-Abstandsdefinitionen zwischen Leitern im Hochspannungsdesign

Relevante Designanforderungen für das Hochspannungs-PCB-Design sind im IPC-2221B-Standard festgelegt. Eine Anforderung betrifft beispielsweise die Leiterabstände. Diese hebt zwei wichtige Punkte hervor:

• Die Möglichkeit eines koronaren oder dielektrischen Durchschlags bei hoher elektrischer Feldstärke
• Das Potenzial für leitende anodische Filamentbildung, manchmal auch als dendritisches Wachstum bezeichnet (siehe unten)

Der erste Punkt ist hier am wichtigsten, da er am einfachsten durch Einstellen des richtigen Mindestabstands zwischen Leitern in der Leiterplatte kontrolliert werden kann. Auch der zweite Effekt kann durch einen geeigneten Leiterbahnabstand sowie Materialauswahl und saubere Verarbeitung verringert - wenn nicht sogar ganz vermieden werden. Der erforderliche Abstand zur Vermeidung dieser Effekte ist als Funktion der Spannung zwischen zwei Leitern in der Norm IPC-2221 zusammengefasst. 

Die Abbildung unten zeigt die Tabelle 6-1 aus den IPC-2221-Standards. Diese Werte geben den Mindestleiterabstand in Abhängigkeit von der Spannung zwischen den beiden Leitern an. Die Werte werden entweder als Wechsel- oder Gleichspannungsspitzen zwischen den Leitern aufgeführt. Beachten Sie, dass der IPC-2221-Standard die Mindestleiterabstände nur für Spannungen bis 500 V vorgibt. Sobald die Spannung zwischen zwei Leitern die 500 V übersteigt, müssen hingegen die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Werte für den Abstand pro Volt zur Berechnung des Mindestleiterabstands verwendet werden. Jedes Volt über 500 V erhöht dabei den erforderlichen Mindestabstand um den Betrag, der in der unteren Zeile der Tabelle angegeben ist.

Temperaturanstieg bei hohen Stromstärken

Nicht alle Hochspannungs-PCBs werden mit Hochstrom betrieben. Bei denjenigen aber, die Hochstrom verwenden, kann es zu starken Temperaturanstiegen kommen, wenn die Leiter nicht großflächig genug sind. Der Temperaturanstieg in einer Leiterplatte erfolgt aufgrund der Joule-Erhitzung, die mit dem Gleichstromwiderstand eines Leiters zusammenhängt. Daher sollte die Querschnittsfläche in hochstromführenden Leitern entsprechend des fließenden Stroms groß genug angelegt sein.

Zur Bestimmung der besten Querschnittsfläche können verschiedene Rechner verwendet werden. Diese basieren zumeist auf den in den Normen IPC-2221 und IPC-2152 veröffentlichten Daten. Der in einem IPC-2152-Rechner verwendete Datensatz ist zunächst komplexer, kann jedoch genauere Ergebnisse liefern als ein IPC-2221-Rechner.

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• Erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen einem IPC-2152- und IPC-2221-Rechner

IPC-9592B-Standard für Spannungsumwandler

Der IPC-9592B-Standard stellt Leiterabstandsanforderungen speziell für Spannungsumwandler bereit. Diese Standards sind konsistent, wenn man sie neben dem erforderlichen Leiterabstand gemäß IPC-2221 grafisch darstellt. In der folgenden Tabelle sind die Abstandsanforderungen gemäß IPC-9592B aufgeführt. Dieses definiert den erforderlichen Mindestabstand der Leiterbahnen in Abhängigkeit der Spitzen von Spannungswerten. Der Unterschied besteht darin, dass diese Norm die Werte für die Mindestabstände der Leiterbahnen mit angelegter Spannung unterhalb der 500-V-Grenze skaliert, siehe dazu die Tabelle oben.

IPC-9592B-Anforderungen an den Leiterabstand für Spannungsumwandler.

Wenn Sie sich online umschauen, werden Sie einige Rechner finden, die schon mit den oben genannten Werten vorprogrammiert sind. Sobald Sie die entsprechenden Abstandswerte für Ihr Design vorliegen haben, können Sie diese als Objekt-zu-Objekt-Abstände in Ihre Designregeln hinterlegen. Da Sie im Allgemeinen verschiedene Netze haben werden, die mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden, können Sie diese Werte auch "netzweise" in Ihre Designregeln programmieren. Sie können dann bestimmte Netze näher aneinander setzen, wenn Ihr Design sehr dicht wird.

IPC-9592- und IPC-2221B-Abstandsrechner

Der folgende Rechner bietet eine sichere Abstandsberechnung, basierend auf den oben genannten Normen. Um den Rechner zu verwenden, geben Sie einfach die Betriebsspannung ein, bei der Ihre Leiterplatte betrieben werden soll. Der Rechner nennt Ihnen dann automatisch die Abstandsanforderungen für interne, externe und beschichtete Leiterbahnen im PCB-Layout. Der Rechner kann darüber hinaus auch die Werte für IPC-9592-konforme Spannungsumwandler für Sie kalkulieren.

IPC-2221B Ergebnisse

IPC-9592 Ergebnisse

Scheitern der Metallmigration

Der Aspekt der Metallmigration ist einer von vielen potenziellen Ausfallmechanismen bei Hochspannungsdesigns mit hoher Leiterdichte. Wenn zwei Leiter auf Hochspannung gebracht werden, kann es zu elektrochemischem Wachstum metallischer Dendriten kommen, vor allem dann, wenn die Leiter Reste mit wasserlöslichen Salzen enthalten. Ein SEM-Bild des dendritischen Wachstums zwischen zwei Lötkugeln ist unten dargestellt.

SEM-Bild zeigt extremes dendritisches Wachstum zwischen zwei Lötkugeln. Bildquelle

Diese metallischen Dendriten können zwei Punkte auf einer Leiterplatte mit hoher Dichte kurzschließen. Es handelt sich dabei um einen Effekt des elektrischen Feldes, der erklärt, warum ein Mindestabstand vorgeschrieben ist; eine Vergrößerung des Abstands zwischen den Leitern bei einer gegebenen Spannungsdifferenz reduziert das Feld zwischen den Leitern, was das Dendritenwachstum hemmt.

Mehr als nur ein IPC-2221-Rechner

Beachten Sie, dass die IPC-2221-Standards zunächst freiwillige Vorgaben sind. Für Produkte jedoch, die Sicherheitsnormen unterliegen, können die Anforderungen für Kriechstrom und Abstände in den entsprechenden UL- oder IEC-Normen verbindlich werden - bei Bau- und Elektrovorschriften ist dies schon der Fall. Ein weiteres Beispiel sind die einschlägigen Sicherheitsanforderungen an IT- und Telekommunikationsprodukte mit Wechselstromnetz- und Batteriebetrieb, welche in der Norm IEC 62368-1 zusammengefasst wurden (diese ersetzt die Norm IEC 60950-1). Bei Kriechstrom hängt der unter IPC-2221B angegebene Abstand von der RMS-Arbeitsspannung, dem Verschmutzungsgrad (Nummer 1 bis 3) und der Materialgruppe ab. Die Definitionen der beiden letztgenannten Begriffe finden sich in den UL 62368-1-Standards. Unabhängig davon, ob Sie IEC-, IPC- oder andere Sicherheitsnormen einhalten müssen, macht es Sinn Ihre Designanforderungen als Designregeln entsprechend festzulegen. Am einfachste geht dies mit der richtigen PCB-Designsoftware

Um einen Durchbruch zwischen Leitern entlang einer Lage aufgrund von Kriechstrom zu verhindern, ist neben dem richtigen Leiterabstand auch die Auswahl des Materials relevant - fast genauso wichtig wie der Abstand. Die Fähigkeit eines Materials, einem Durchbruch zu widerstehen, wird in einer Kennzahl zusammengefasst: dem vergleichenden Tracking-Index (CTI). Der CTI-Wert eines PCB-Laminatmaterials wird verwendet, um Kriechstrom-Limits für Leiter über die Oberfläche eines Substrats festzulegen. Der IEC-60112-Standard definiert CTI-Werte so, dass ein größeres Substrat mit CTI-Qualität einer höheren Spannung standhalten kann, bevor es zu einem dielektrischen Durchbruch kommt. Ich werde auf diesen Punkt in einem kommenden Artikel ausführlicher eingehen und hier näher über Laminatmaterialien für Hochspannungsleiterplatten und deren Auswahl sprechen. Aus diesem Artikel müssen Sie nur folgende wichtige Punkte für Ihre Arbeit mitnehmen: Kriechstrom und Abstand sind miteinander verbunden und die Bestimmung der Abstände mit Betrachtung des vorliegenden Freiraumes ist ein guter Ausgangspunkt in einem neuen Design.

Die CAD-Tools und Routing-Funktionen in Altium Designer^® basieren auf einer einheitlichen Regel-gesteuerten Design-Engine, die Ihr Layout automatisch überprüft - schon während Sie Ihre Leiterplatte erstellen. Nachdem Sie Ihre Abstandsanforderungen mit einem IPC-2221-Rechner ermittelt haben, können Sie Ihre Abstände innerhalb der Designregeln programmieren. So können Sie gewährleisten, dass Ihre Leiterplatte bei Hochspannung stets sicher und funktionsfähig bleibt. Außerdem haben Sie Zugriff auf eine Reihe von Dokumentationsfunktionen, die Sie bei der Vorbereitung für Fertigung und Montage unterstützen.

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