Montaje de PCB de alta tensión utilizando la calculadora IPC-2221

Zachariah Peterson
|  Creado: January 17, 2020  |  Actualizado: October 11, 2021

IPC-2221 calculator and high voltage lines

Los estándares de diseño y montaje de PCB no se han establecido para limitar tu productividad. En realidad, están ahí para ayudarte a desarrollar proyectos uniformes de diseño y rendimiento de productos en múltiples sectores. Con la estandarización llegan las herramientas para el cumplimiento como las calculadoras para determinados aspectos del diseño, procesos de auditoría e inspección y mucho más.

En el diseño PCB de alta tensión el estándar genérico más importante es el vinculado a las normas IPC-2221. En esta norma de diseño se resumen muchos aspectos clave, algunos de los cuales se reducen a fórmulas matemáticas simples. Para realizar el montaje de PCB de alta tensión, la calculadora de IPC-2221 puede ayudarte a determinar rápidamente los requisitos. Entre ellos, el espaciado adecuado entre los elementos conductores del PCB, ayudándote a garantizar la seguridad de tu placa de alta tensión a su tensión operativa. Cuando tu software de diseño incluye estas especificaciones como reglas de diseño automatizadas, puedes continuar maximizando tu productividad. Y a la vez evitar cometer errores de diseño a medida que construyes tu placa.

¿Qué son las normas IPC-2221 y cómo afectan al montaje de tu PCB?

La IPC-2221 es un estándar industrial normativo generalmente aceptado que define multitud de aspectos del montaje de PCB. Podemos mencionar, por ejemplo, los requisitos de diseño para materiales (incluidos sustratos y metalización), testabilidad, gestión térmica, alivios térmicos y anillos anulares. En el diseño PCB de alta tensión los requisitos de diseño más importantes se especifican en el estándar en la norma IPC-2221B. Observa que IPC solo especifica los valores mínimos de espaciado de conductores para tensiones de hasta 500 V. Se ofrecen fórmulas simples para el cálculo de estos valores para tensiones de más de 500 V.

Entre la lista de valores mínimos de espaciado de conductores eléctricos definidos en la normativa IPC-2221, hay un conjunto de requisitos para evitar problemas de migración de partículas metálicas. La migración metálica es uno de los numerosos problemas de los diseños de alta tensión con alta densidad de conductores. Cuando dos conductores experimentan un potencial muy alto, puede tener lugar un crecimiento electroquímico de dendritas metálicas. Esto en el caso de que los conductores contienen residuos con sales hidrosolubles. A continuación, te mostramos una imagen de un microscopio electrónico de barrido (SEM en inglés) de crecimiento dendrítico entre dos bolas de soldadura. Estas dendritas metálicas pueden provocar cortocircuitos entre dos puntos de una PCB de alta densidad. Se trata en realidad de un efecto del campo eléctrico, lo que explica por qué hay un requisito de espaciado mínimo. Al aumentar el espaciado entre conductores para crear una diferencia de potencia determinada, se reduce el campo entre los conductores, lo que dificulta el crecimiento de dendritas.

crecimiento dentrítico en el montaje de PCB.
Imagen SEM que muestra el crecimiento dendrítico entre dos bolas de soldadura. Fuente de la imagen.

¿Qué debes tener en cuenta a la hora de crear un diseño PCB de alta tensión?

Si tu producto no está cubierto por los estándares UL o IEC, utiliza datos simples y una fórmula. Esto te permitirá determinar el espaciado mínimo entre conductores durante la creación de un diseño PCB de alta tensión. Estos datos varían en función de la tensión máxima utilizada y de si la placa tiene recubrimiento o no. Si necesitas determinar el espaciado de conductores mínimo entre dos valores de tensión, puedes utilizar una aproximación lineal (interpolación) entre dos entradas sucesivas. Revisa el ejemplo en la tabla a continuación:

requisitos de espaciado entre conductores para el montaje de PCB.
Requisitos de espaciado de conductores IPC-2221B.

Al analizar estándares de electrónica para diferentes sectores y aplicaciones, encontrarás una amplia variedad de estándares de seguridad. Y, te darás cuenta, que cada uno dicta diversos requisitos de espaciado necesarios entre conductores. El estándar IPC-9592B ofrece requisitos de espaciado de conductores para dispositivos de conversión de potencia. Este estándar es coherente cuando se representa gráficamente junto al espaciado de conductores que se especifica en la normativa IPC-2221B. En la tabla siguiente se indican los requisitos de espaciado según la norma IPC-9592B. Observa cómo se define el espaciado de pista mínimo requerido en función de los valores de tensión máximos.

requisitos de espaciado según la norma IPC-9592B.
Requisitos IPC-9592B de espaciado de conductores para dispositivos de conversión de potencia.

Ambos conjuntos de estándares incluyen fórmulas que se pueden programar fácilmente en una aplicación de cálculo. En Internet puedes encontrar muchas aplicaciones de cálculo de la norma IPC-2221 que incluyen calculadoras de espaciado de pistas.

Comprobación automática del clearance de pistas con la calculadora IPC-2221 integrada

Si tu software de diseño incluye una calculadora IPC-2221 como parte de tus reglas de diseño, no hará falta que calcules manualmente la anchura o la clearance de las pistas para impedir la ruptura dieléctrica. Este tipo de software codifica la clearance requerida como regla de diseño, que se comprueba automáticamente a medida que se hace el layout de la PCB. Si quieres garantizar un nivel más alto de seguridad para tu nuevo producto, puedes codificar un requisito mayor de espaciado de pistas o componentes en tus reglas de diseño.

A medida que colocas componentes y encaminas pistas en el montaje de PCB de alta tensión, las clearances de pistas se pueden comprobar automáticamente. Esto te permitirá evitar errores y reducir la necesidad de efectuar cambios de ubicación requeridos. Algunas reglas de diseño no realizan estas comprobaciones esenciales hasta que se ha terminado el layout. Sin embargo, esto supone el riesgo de tener que efectuar grandes cambios de diseño si los componentes se colocan demasiado juntos. Trabajar con herramientas de diseño que te permiten especificar las clearances reduce estos riesgos y te ayuda a seguir siendo productivo.

Ten en cuenta que los estándares de las normas IPC-2221 son totalmente voluntarios. Sin embargo, para los productos cubiertos por las normas de seguridad legales, los requisitos de fuga de tensión y clearance en los estándares UL o IEC son obligatorios. Por ejemplo, el conjunto relevante de requisitos de seguridad para los productos de TI y telecomunicaciones con alimentación por CA y baterías se puede encontrar en el estándar IEC-60950-1 (2ª edición). En términos de fuga, el espaciado especificado en el IPC-2221B depende de la tensión RMS de trabajo, el grado de contaminación (números 1 a 3) y el grupo de materiales. Las definiciones de estos dos últimos términos se encuentran en las normas UL 60950-1. Tanto si tienes que cumplir las normas IEC, IPC u otras normas de seguridad requeridas, puedes especificar tus requisitos de diseño como reglas de diseño utilizando el software de diseño de PCB adecuado.

Las herramientas CAD y las características de enrutamiento de Altium Designer® se basan en un motor de diseño unificado basado en reglas que comprueba automáticamente el layout a medida que creas tu placa. En lugar de usar una calculadora IPC-2221 manual, estas características de diseño ayudan a ahorrar tiempo y cordura en la creación de tu próxima PCB de alta tensión. También tendrás acceso a un completo conjunto de funciones de documentación que te ayudarán a preparar la fabricación y el montaje.

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Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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