高電圧設計のためのIPC-2221 PCBクリアランス計算機の使用

PCB設計およびアセンブリの規格は、生産性を制限するものではありません。代わりに、複数の業界にわたって製品設計と性能の統一された期待値を作成するのに役立ちます。特定の設計用の計算機、監査や検査のプロセスなど、ツールはコンプライアンス向けに標準化されます。

高電圧PCB設計において、PCB設計の重要な一般規格はIPC-2221です。多くの重要な設計的側面がこの設計規格にまとめられており、そのいくつかは単純な数式に要約されています。高電圧PCBの場合、IPC-2221計算機を使用すると、PCB上の導電要素間の適切な間隔要件をすばやく判断できます。これにより、次の高電圧基板が動作電圧で安全に保たれるようになります。設計ソフトウェアにこれらの仕様が自動化された設計ルールとして含まれている場合、生産性を維持し、基板を構築する際のレイアウトの間違いを避けることができます。

IPC-2221とは

IPC-2221（2012年発効のレビジョンB）は、多くのPCBの設計的側面を定義する、一般的に受け入れられている業界規格です。例えば、材料 (基板やメッキを含む)、試験性、 熱管理とサーマルリリーフ、 アニュラリングなどに関する設計要件が挙げられます。

一部の設計ガイドラインは、より具体的な設計規格に取って代わられています。例えば、IPC-6012とIPC-6018は、それぞれリジッドPCBと高周波PCBの設計仕様を提供します。これらの追加規格は、一般的なPCBのIPC-2221規格とほぼ一致するように意図されています。 ただし、IPC-2221は通常、製品の信頼性や製造歩留まり/欠陥を評価するために使用される認定規格ではありません。リジッド基板の場合、IPC-6012またはIPC-A-600のいずれかが、製造されたリジッドPCBの認定に通常使用されます。

IPC-2221B 高電圧設計における導体スペーシング

高電圧PCB設計の重要な設計要件は、IPC-2221B規格で指定されています。これらの1つは導体クリアランスであり、次の2つの点に対処することを目的としています。

• 高電界強度でのコロナまたは絶縁体破壊の可能性
• 樹枝状成長と呼ばれることもある導電性陽極フィラメント形成の可能性（下記参照）

最初のポイントは、PCBの導体間に適切な最小クリアランスを設定することで最も簡単に制御できるため、最も重要です。2番目の影響は、適切な配線間隔、材料の選択、処理での一般的な清浄度によっても抑えることができます。これらの影響を防ぐために必要な間隔は、IPC-2221規格の2つの導体間の電圧の関数としてまとめられています。

下の画像は、IPC-2221規格の表6-1を示しています。これらの値は、2つの導体間の電圧の関数として最小導体間隔を示しています。これらの値は、導体間のピークACまたはDC電圧のいずれかで指定されます。IPC-2221では、500Vまでの電圧に対して固定された最小導体間隔値のみを規定していることに注意してください。2本の導体間の電圧が500Vを超えると、下表に示す電圧ごとのクリアランスの値を用いて、最小導体間隔を計算することになります。500Vを超える各電圧は、表の一番下の行に示されている量だけ、必要な最小クリアランスに追加されます。

高電流時の温度上昇

すべての高電圧PCBが高電流で動作するわけではありませんが、高電流を使用するPCBは、導体の大きさが十分でない場合に高温上昇になる可能性があります。PCBの温度上昇は、導体のDC抵抗に関連するジュール熱によって発生します。したがって、高電流を流す導体の断面積は、電流も大きい場合は大きくする必要があります。

最適な断面積を決定するには、IPC-2221およびIPC-2152規格で公開されているデータに基づく計算機を使用できます。IPC-2152計算機で使用されるデータセットはより複雑ですが、IPC-2221計算機よりさらに正確な結果を提供できます。

• 無料のオンラインIPC-2221計算機にアクセスする
• IPC-2152とIPC-2221計算機の違いについて学ぶ

電力変換デバイスに関するIPC-9592B規格

IPC-9592B規格は、電力変換デバイス専用の導体間隔要件を提供します。これらの規格は、IPC-2221で指定された必要な導体間隔と並べてグラフにすると、非常に一貫しています。下表はIPC-9592Bに基づく間隔要件を規定したものです。これにより、必要な最小配線間隔がピーク電圧値の関数として定義されます。違いは、この規格は、上の表に示されている500Vの制限を下回る印加電圧で最小導体間隔の値をスケーリングすることです。

電力変換デバイスのIPC-9592B導体間隔要件。

オンラインで調べると、上記の値が事前にプログラムされている計算機がいくつか見つかります。適切な間隔の値を決定したら、これらをオブジェクト間のクリアランスとして設計ルールにプログラムできます。通常、異なる電圧で動作する異なるネットがあるため、これらの値をネットごとに設計ルールにプログラムすることもできます。設計が非常に高密度の場合は、特定のネットを互いに近づけて設定できます。

IPC-9592およびIPC-2221Bクリアランス計算機

以下の計算機は、上記の規格に基づいた安全なクリアランスの計算を提供します。この計算機を使用するには、基板が動作する動作電圧を入力すると、計算機は PCBレイアウトの内部、外部、およびコーティングされた配線のクリアランス要件を返します。計算機は、IPC-9592準拠の電力変換デバイスの結果も返します。

IPC-2221B 結果

IPC-9592 結果

金属移動の失敗

金属移動は、導体密度の高い高電圧設計における多くの故障のメカニズムの1つです。2つの導体を高電位にしたとき、導体に水溶性塩が残留していると、電気化学的に金属デンドライトが成長することがあります。2つの小球状のはんだ間の樹枝状成長のSEM画像を以下に示します。

2つの小球状のはんだ間での極端なデンドライト成長を示すSEM画像。画像出典元。

これらの金属デンドライトは、高密度PCB上の2点をショートさせる可能性があります。これは実は電界効果であり、最小限の間隔が必要であることを説明しています。ある電位差に対して導体間の間隔を広げると、導体間の電界が減少し、デンドライトの成長が抑制されます。

IPC-2221計算機を超えて

IPC-2221規格は任意であることに注意してください。ただし、建築基準法および電気基準で定義されている安全規格の対象となる製品の場合、関連するULまたはIEC規格の沿面距離およびクリアランスの要件が必須になる場合があります。一例として、AC主電源とバッテリー電源を備えたITおよび電気通信製品に関連する一連の安全要件は、IEC 62368-1規格に記載されています (これはIEC 60950-1規格に取って代わりました)。沿面距離の場合、IPC-2221Bで指定されている間隔は、RMS動作電圧、汚染度 (1 ～ 3 の番号)、および材料グループによって異なります。後者の2つの用語の定義は、UL 62368-1規格に記載されています。IEC、IPC、またはその他の必要な安全規格に準拠する必要があるかどうかにかかわらず、適切なPCB設計ソフトウェアを使用すると、設計要件を設計ルールとして指定できます。

沿面距離によるレイヤーに沿った導体間の絶縁破壊を防ぐには、材料の選択が導体間の適切な間隔と同じくらい重要です。材料が破壊に抵抗する能力は、比較追跡指数（CTI）として知られる測定基準を使用して要約されます。PCBラミネート材料のCTI値は、基板の表面を横切る導体の沿面制限を設定するために使用されます。IEC-60112規格では、絶縁体破壊が発生する前に、より大きなCTIグレードの基板がより高い電圧に耐えることができるように、CTI値を定義しています。この点については、高電圧PCBラミネート材料とその選択方法に関する次回の記事で詳しく説明します。ここでは、沿面距離とクリアランスが一緒になることに注意してください。クリアランスに基づいて間隔を決定することは、新しい設計の開始時が最適です。

Altium Designer^®のCADツールと配線機能は、基板を作成する際にレイアウトを自動的にチェックする、統一されたルール主導の設計エンジン上に構築されています。IPC-2221計算機を使用してクリアランス要件を算定したら、設計ルールにクリアランスをプログラムして、基板が高電圧で安全かつ機能的に保たれるのを確実にします。また、製造とアセンブリの準備に役立つ一連のドキュメント機能にもアクセスできます。

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