При проектировании печатной платы (PCB) одним из наиболее важных факторов, от которого зависит успех или провал вашего электронного изделия, является расстояние между медными дорожками. В контексте правил проектирования печатных плат расстояние между дорожками определяет не только технологичность изготовления платы, но и её безопасность, надёжность и функциональность. Неправильное расстояние между дорожками на ПХП может привести к катастрофическим электрическим коротким замыканиям, образованию электрической дуги и появлению помех. В этом подробном руководстве мы рассмотрим, как именно определить оптимальное расстояние между дорожками на ПХП, чтобы избежать электрических коротких замыканий, а также рассмотрим стандартные правила, вопросы, связанные с напряжением, и межсоединительная схема высокой плотности (HDI) дизайны.
Основы расстояний между дорожками на печатной плате
Расстояние между дорожками на печатной плате, часто называемое зазором, представляет собой физическое расстояние между двумя соседними медными элементами на печатной плате. Это может быть расстояние между двумя дорожками, между дорожкой и контактной площадкой или между дорожкой и переходным отверстием. Соблюдение достаточного расстояния имеет жизненно важное значение, поскольку при достаточно высокой разности потенциалов (напряжении) электрический ток может перескакивать через небольшие зазоры, вызывая короткое замыкание.
Короткое замыкание возникает, когда ток протекает по непреднамеренному пути с низким сопротивлением или без него. В печатных платах это обычно означает, что сигналы перетекают на соседние дорожки, плоскости питания замыкаются на массу или на линиях высокого напряжения возникает электрическая дуга, перескакивающая на расположенные поблизости компоненты низкого напряжения. Последствия варьируются от нестабильной работы и ухудшения качества сигнала до полного катастрофического отказа, перегорания и даже возгорания.
Поверхностное расстояние и промежуток
Прежде чем приступить к расчетам, необходимо понять разницу между линией ползучести и расстоянием между проводниками, особенно при работе с высокие напряжения:
- Расстояние: Наименьшее расстояние по воздуху между двумя проводящими частями. Именно это, в первую очередь, предотвращает возникновение электрической дуги.
- Расстояние по линии утечки: Наименьшее расстояние по поверхности изоляционного материала (например, подложки FR4) между двумя проводящими частями. Расстояние пробега, как правило, больше, чем зазор, и имеет решающее значение для долгосрочной надежности в плане предотвращения образования треков.
Пошаговое руководство: как определить правильное расстояние между трассировками
Выполните следующие шаги, чтобы точно рассчитать и обеспечить правильное расстояние между дорожками на печатной плате, что позволит предотвратить короткое замыкание в ваших конструкциях.
Шаг 1: Определение уровней напряжения
Первым и наиболее важным шагом является определение максимального напряжения, которое будет возникать между любыми двумя соседними дорожками. Более высокие напряжения требуют большего расстояния между дорожками для предотвращения образования электрической дуги. Определите все шины питания, узлы высоковольтного переключения и чувствительные аналоговые сигналы. Вы должны знать пиковые разности напряжений на всей плате.
Шаг 2: Ознакомьтесь со стандартами IPC-2221
Общий стандарт IPC-2221 по проектированию печатных плат является основным отраслевым справочным документом в вопросах расстояний между дорожками. В нём приведены подробные таблицы (например, таблица 6.1), в которых указаны минимальные требуемые электрические зазоры в зависимости от напряжения, а также от того, находятся ли дорожки на внутренних слоях, внешних слоях (с покрытием или без) или в условиях высокогорья. Всегда начинайте разработку базовых правил расстояний с этого стандарта.
Шаг 3: Оценка технологичности (DFM)
Даже если стандарт IPC-2221 допускает чрезвычайно узкие зазоры при низких напряжениях, производитель вашей печатной платы может оказаться неспособным надёжно вытравить столь мелкие зазоры. Уточните у своего производителя, каковы его минимальные возможности по ширине дорожек и зазоров. Стандартные производители часто работают с параметрами 5/5 мил или 6/6 мил (ширина трассы/расстояние), тогда как передовые производители HDI могут снизить это значение до 3/3 мил или даже меньше. Проектируйте в пределах их надежных ограничений, чтобы избежать коротких замыканий при травлении в процессе изготовления.
Шаг 4: Учет факторов окружающей среды
Такие условия окружающей среды, как влажность, запыленность и загрязненность, могут существенно влиять на требования к междорожечному расстоянию. В стандартах IEC 60950-1 и IEC 62368-1 определены “степени загрязненности”. Более высокая степень загрязнения (например, промышленная среда по сравнению с офисной) требует увеличения расстояний утечки. В суровых условиях может потребоваться нанесение конформного покрытия для уменьшения требуемого расстояния.
Шаг 5: Проведение проверки на соответствие правилам проектирования (DRC)
После определения необходимых правил расстояний введите их в систему проверки правил проектирования (DRC) вашей программы для проектирования печатных плат. Современные инструменты EDA (такие как Altium, KiCad или Eagle) позволяют настраивать сложные матрицы правил, определяя различные требования к расстояниям для разных сетей или классов сетей. Регулярно запускайте DRC, чтобы автоматически выявлять любые нарушения требований к расстояниям перед генерацией производственных файлов.
Высокоплотные соединения (HDI) и расстояние между дорожками
По мере того как электронные устройства становятся всё меньше и сложнее, разработчики вынуждены прокладывать всё больше соединений в ограниченном пространстве. Для этого в платах с высокой плотностью соединений (HDI) используются микропереходные отверстия, глухие переходные отверстия и погруженные переходные отверстия. В конструкциях HDI расстояние между дорожками становится ещё более критичным фактором. Хотя низкие напряжения могут допускать чрезвычайно малые расстояния, риск перекрестных помех (электромагнитных помех между соседними дорожками) резко возрастает. Поэтому в платах HDI расстояние между дорожками часто в большей степени определяется целостность сигнала и регулировкой импеданса, чем исключительно пределами пробоя по напряжению.
Часто задаваемые вопросы о расстоянии между дорожками на печатной плате
Каково общепринятое практическое правило в отношении расстояния между дорожками на печатной плате?
Для низковольтных, цифровых и стандартных аналоговых плат (напряжением до 15 В) общепринятым практическим правилом является использование ширины 6 мил (0,1524 мм) как для ширины дорожки, так и для междорожечного расстояния, при условии, что производитель поддерживает такие параметры. Однако всегда рекомендуется рассчитывать точные требования на основе стандарта IPC-2221, а не полагаться исключительно на эмпирические правила.
Как паяльная маска влияет на расстояние между дорожками?
Паяльная маска выполняет функцию изолятора над медными дорожками на внешних слоях печатной платы. Нанесение конформного покрытия или паяльная маска позволяет безопасно использовать меньшие значения зазора и пути утечки по сравнению с непокрытой голой медью, поскольку снижает риск образования электрической дуги и загрязнения окружающей среды при переходе тока через зазор.
Можно ли использовать пазы для прокладки трасс, чтобы увеличить расстояние пробега тока?
Да. Если вы ограничены пространством и не можете обеспечить требуемое расстояние пробега по поверхности печатной платы, можно выфрезеровать паз (физический вырез) в подложке печатной платы между двумя высоковольтными узлами. Это заставит любой поверхностный разряд проходить вниз, по дну паза и обратно вверх, что эффективно значительно увеличит расстояние пробега.
Заключение
Правильное определение расстояния между дорожками на печатной плате — это не произвольный выбор, а взвешенное решение, основанное на законах физики, производственных ограничениях и отраслевых стандартах. Понимая уровни напряжения в вашей схеме, руководствуясь стандартами IPC, учитывая производственные возможности и эффективно используя средства проверки правил проектирования (DRC) вашего инструмента EDA, вы сможете успешно избежать электрических коротких замыканий. Хорошо спроектированная печатная плата с правильным расстоянием между дорожками обеспечивает долгосрочную надежность и безопасность ваших электронных изделий.
