Utilisation d'un calculateur d'espacement IPC-2221 pour la conception haute tension

Les normes de conception et d'assemblage des circuits imprimés ne sont pas là pour limiter votre productivité. Elles ont plutôt vocation à définir des attentes communes en matière de conception et de performance des produits dans une multitude de secteurs. Bien sûr, cette uniformisation s'accompagne d'outils de conformité, tels que des calculateurs portant sur divers aspects de la conception, des processus d'audit et de contrôle, et bien plus encore.

En matière de conception de circuits imprimés haute tension, la principale norme applicable est l'IPC-2221. De nombreux aspects essentiels de la conception y sont abordés, parfois par l'intermédiaire de simples formules mathématiques. Pour ces circuits imprimés haute tension, un calculateur IPC-2221 peut vous aider à déterminer rapidement les exigences d'espacement appropriées entre les éléments conducteurs de votre circuit, et à garantir ainsi la sécurité de votre prochaine carte haute tension à sa tension de fonctionnement. En vous dotant d'un logiciel de conception qui intègre directement ces spécifications en tant que règles automatisées, vous pouvez préserver votre productivité tout en évitant les erreurs de routage lors de la conception.

Qu'est-ce que l'IPC-2221 ?

L'IPC-2221B, datant de 2012, est une norme communément appliquée qui définit une multitude d'aspects de la conception des circuits imprimés. Parmi ces éléments, citons par exemple les exigences de conception relatives aux matériaux (y compris les substrats et le placage), à la testabilité, à la gestion thermique et aux soulagements thermiques ou encore aux anneaux résiduels.

Dans certains cas, des normes de conception plus spécifiques s'appliquent toutefois aux dépens de ces exigences. À titre d'exemple, les normes IPC-6012 et IPC-6018 fournissent respectivement des spécifications de conception pour les circuits imprimés rigides et les circuits imprimés haute fréquence. De manière générale, ces normes complémentaires sont cohérentes avec l'IPC-2221 pour les circuits imprimés génériques. Cependant, cette dernière est rarement utilisée pour évaluer la fiabilité des produits ou le rendement/les défauts de fabrication. Pour qualifier les cartes rigides, on lui préfère généralement les normes IPC-6012 ou IPC-A-600.

Norme IPC-2221B relative à l'espacement des conducteurs en conception haute tension

La norme IPC-2221B définit des exigences essentielles pour la conception de circuits imprimés haute tension. L'une d'entre elles concerne l'espacement des conducteurs, qui porte sur deux points :

• La possibilité d'effet corona ou de claquage diélectrique à une intensité de champ électrique élevée
• Le potentiel de filamentation anodique conductrice, parfois appelé croissance dendritique (voir ci-dessous)

Le premier point est le plus important, car on peut le contrôler plus facilement en définissant le bon espacement minimal entre les conducteurs du circuit imprimé. Le deuxième effet peut également être supprimé avec un espacement approprié entre les pistes, ainsi que par le choix des matériaux et la propreté générale de la conception. L'espacement requis pour éviter ces effets est défini en fonction de la tension entre deux conducteurs par la norme IPC-2221. 

L'image ci-dessous montre le tableau 6-1 issu des normes IPC-2221. Ces valeurs indiquent l'espacement minimum entre deux conducteurs en fonction de la tension entre ces derniers. Ces valeurs sont spécifiées en termes de tension de crête CA ou CC entre les conducteurs. Notez que l'IPC-2221 spécifie uniquement des valeurs fixes d'espacement minimum pour les tensions jusqu'à 500 V. Une fois la tension entre deux conducteurs supérieure à 500 V, les valeurs d'espacement par volt indiquées dans le tableau ci-dessous sont utilisées pour calculer l'espacement minimum des conducteurs. Au-delà de 500 V, chaque volt en plus entraînera une augmentation de l'espacement minimum requis proportionnellement à la quantité indiquée dans la dernière ligne du tableau.

Augmentation de la température à courant élevé

Tous les circuits imprimés haute tension ne fonctionneront pas à un courant élevé, mais ceux qui utilisent un courant élevé peuvent subir une augmentation de température élevée lorsque les conducteurs ne sont pas assez grands. L'augmentation de la température dans un circuit imprimé s'explique par l'effet Joule, qui est la manifestation de la résistance en continu d'un conducteur. Par conséquent, la section transversale des conducteurs transportant un courant élevé doit être importante lorsque le courant est également important.

Pour déterminer la meilleure section transversale, il est possible d'avoir recours à des calculateurs s'appuyant sur les données publiées dans les normes IPC-2221 et IPC-2152. L'ensemble de données utilisé dans un calculateur IPC-2152 est plus complexe, mais ce dernier fournira des résultats plus précis qu'un calculateur IPC-2221.

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Norme IPC-9592B sur les dispositifs de conversion de puissance

La norme IPC-9592B fournit des exigences d'espacement entre les conducteurs spécifiques aux dispositifs de conversion de puissance. Ces normes sont assez cohérentes avec l'espacement requis entre les conducteurs spécifié dans la norme IPC-2221. Le tableau ci-dessous présente les exigences d'espacement selon la norme IPC-9592B. Celle-ci définit l'espacement minimum requis entre les pistes en fonction des valeurs de tension de crête. Ici, la différence est que cette norme met à l'échelle les valeurs d'espacement minimal entre les conducteurs avec une tension appliquée inférieure à la limite de 500 V indiquée dans le tableau ci-dessus.

Exigences d'espacement entre les conducteurs de la norme IPC-9592B pour les dispositifs de conversion de puissance.

Si vous regardez en ligne, vous trouverez des calculateurs préprogrammés avec les valeurs ci-dessus. Une fois que vous avez déterminé les valeurs d'espacement appropriées, vous pouvez les programmer dans vos règles de conception en tant qu'espacements d'objet à objet. Étant donné que vous aurez probablement différents signaux fonctionnant à différentes tensions, vous pouvez également programmer ces valeurs dans vos règles de conception pour chaque signal spécifique. Vous pourrez ainsi rapprocher certains signaux si votre conception devient très dense.

Calculateur d'espacement IPC-9592 et IPC-2221B

Le calculateur ci-dessous donne un calcul d'espacement sûr basé sur les normes citées ci-dessus. Pour l'utiliser, saisissez la tension de fonctionnement de votre carte. Le calculateur renverra alors les exigences d'espacement pour les pistes internes, externes et revêtues dans le routage du circuit imprimé. Le calculateur renverra également les résultats pour les dispositifs de conversion de puissance conformes à la norme IPC-9592.

Résultats IPC-2221B

Résultats IPC-9592

Défaillance liée à la migration du métal

La migration du métal est l'un des nombreux mécanismes de défaillance susceptibles d'affecter les conceptions haute tension avec une densité de conducteurs élevée. Lorsque deux conducteurs sont exposés à un potentiel élevé, une croissance électrochimique des dendrites métalliques peut se produire si les conducteurs contiennent des résidus de sels hydrosolubles ; une image SEM de croissance dendritique entre deux billes de soudure est présentée ci-dessous.

Image SEM montrant une croissance dendritique extrême entre deux billes de soudure. Source de l'image.

Ces dendrites métalliques peuvent court-circuiter deux points sur un circuit imprimé à haute densité. Il s'agit en fait d'un effet de champ électrique, ce qui explique pourquoi il y a une exigence d'espacement minimal ; l'augmentation de l'espacement entre les conducteurs pour une différence de potentiel donnée réduit le champ entre les conducteurs, ce qui empêche la croissance des dendrites.

Aller plus loin

L'application des normes IPC-2221 ne fait l'objet d'aucune obligation. Toutefois, pour les produits soumis aux normes de sécurité définies dans les codes du bâtiment et de l'électricité, les exigences en matière de fuites et d'espacements dans la norme UL ou IEC correspondante peuvent devenir obligatoires. À titre d'exemple, l'ensemble des exigences de sécurité applicables aux produits informatiques et de télécommunications alimentés par secteur et par batterie est défini dans la norme IEC 62368-1 (qui a remplacé la norme IEC 60950-1). En cas de fuite, l'espacement spécifié dans la norme IPC-2221B dépend de la tension de fonctionnement RMS, du degré de pollution (numéroté de 1 à 3) et du groupe de matériaux. La définition de ces deux derniers termes est disponible dans les normes UL 62368-1. Que vous deviez vous conformer aux normes IEC, IPC ou à d'autres normes de sécurité, vous pouvez spécifier vos exigences de conception sous forme de règles de conception lorsque vous utilisez le bon logiciel de conception de circuits imprimés.

Pour éviter une rupture entre les conducteurs le long d'une couche en raison d'une fuite, le choix des matériaux est tout aussi important que l'espacement entre les conducteurs. La capacité d'un matériau à résister à la rupture est synthétisée à l'aide d'une mesure appelée indice de suivi comparatif (CTI). La valeur CTI d'un matériau stratifié est utilisée pour définir les limites de la ligne de fuite des conducteurs sur la surface d'un substrat. La norme IEC-60112 définit les valeurs CTI de telle sorte qu'un substrat avec une valeur CTI supérieure peut résister à une tension plus élevée avant de subir un claquage diélectrique. J'aborderai ce point plus en détail dans un prochain article sur les matériaux stratifiés à haute tension pour circuits imprimés et sur la façon de les sélectionner. Pour l'instant, notez simplement que la ligne de fuite et l'espacement vont de pair, et que la détermination de l'espacement en fonction de l'espace libre est un bon point de départ pour un nouveau design.

Les outils de CAO et les fonctionnalités de routage d'Altium Designer^® reposent sur un moteur de conception unifié basé sur des règles qui vérifie automatiquement votre routage à mesure que vous concevez votre carte. Après avoir identifié vos exigences d'espacement à l'aide d'un calculateur IPC-2221, définissez ainsi vos espacements dans vos règles de conception pour vous assurer que votre carte reste sûre et fonctionnelle sous haute tension. Vous aurez également accès à un ensemble complet de fonctionnalités de documentation qui vous aideront à préparer la fabrication et l'assemblage.

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