A importância do espaçamento entre linhas de PCB para fluência e folga

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A importância do espaçamento entre linhas de PCB para fluência e folga 1A importância do espaçamento entre linhas de PCB para fluência e folga

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O espaçamento é importante, seja no seu dia-a-dia ou no setor de PCB. Considere, você tem um vizinho barulhento, não prefere ter mais espaço entre vocês? Rastreios de PCB não são exceção. Vamos falar sobre a importância do espaçamento entre linhas de PCB. Também discutiremos a fluência e fluência, bem como o espaçamento entre componentes de PCB.

A crescente importância da miniaturização nos circuitos eletrônicos está levando os fabricantes de PCBs a reduzir o tamanho e aumentar a densidade dos componentes nas placas de circuito. Isso ajuda a obter miniaturização e limita o custo de fabricação. Essa mentalidade não se limita apenas a equipamentos eletrônicos portáteis, mas também prevalece em todo o setor de eletrônicos de consumo em todo o mundo. No entanto, a miniaturização de circuitos eletrônicos pode representar vários desafios para os fabricantes de PCB. Lidar com esses desafios evita custos adicionais de fabricação e falhas operacionais.

Definição e importância do espaçamento entre linhas de PCB

O espaçamento entre os traços é denominado como a distância mínima entre dois traços para evitar flashover ou rastreamento entre condutores elétricos. O flashover ou rastreamento, que é uma avaria elétrica ao longo da superfície da PCB, ocorre ao longo da junção do traço do condutor e do isolador. Vários padrões e regras da indústria são implementados para evitar flashover ou rastreamento entre os condutores elétricos.

Qual é o espaçamento mínimo entre linhas de PCB?

Fatores como o circuito eletrônico da aplicação e o tipo de montagem da placa de circuito impresso desempenham um papel fundamental na determinação dos requisitos de espaçamento. É difícil derivar uma solução única para decidir requisitos específicos de espaçamento para vários aplicativos. A distância entre os dois traços de PCB medidos por vários métodos e cálculos.

A tendência de mudança para a miniaturização de circuitos eletrônicos coloca desafios substanciais ao projetista, especificamente em tecnologia mista, que inclui circuitos de alta tensão. A maioria dos circuitos eletrônicos requer um design compacto de PCB, seja o seu smartphone ou os sistemas de imagens médicas portáteis. Anteriormente, o uso de placas de alta tensão como placa separada era uma prática comum em um sistema de placas múltiplas.

Com a miniaturização, é possível mesclar várias placas, o que também permite ao projetista utilizar tecnologias mistas, incluindo circuitos analógicos, digitais e de RF. As considerações de projeto tornaram-se uma preocupação primordial para os fabricantes de PCBs, já que os circuitos de alta tensão exigem regras adicionais para formar folgas e isolamento elétricos maiores para a segurança do operador. Essas regras ajudam a encontrar maneiras de implementar a formação precisa de circuitos e reduzir o tamanho geral do produto.

A Sierra Circuits desenvolveu certos padrões que mencionam o espaçamento necessário entre linhas de PCB para uma operação adequada. Esses padrões ajudam a minimizar problemas como choque elétrico nos circuitos eletrônicos. Por exemplo, circuitos eletrônicos que não exigem proteção contra choques elétricos, o espaçamento entre as faixas do circuito impresso pode ser menor.

Quais são os padrões de fluência e liberação de PCB?

Folga

Figura 1

Creepage

Figura 2

A folga é definida como a distância mínima no ar entre dois traços de condutor. Enquanto a fluência é denominada como a menor distância entre os traços do condutor em uma placa de circuito impresso ao longo da superfície do material de isolamento. Ao contrário da folga, medida no ar, a fluência é medida ao longo da superfície do material de isolamento. Discutimos tanto a fluência quanto a folga em nosso blog anterior sobre placas de circuito de alta tensão.

Como resolver problemas de fluência e desembaraço?

Os projetistas não conseguem resolver problemas relacionados à folga no design do layout, pois a distância medida é ao longo do percurso do ar (linha de visão). A colocação de componentes provavelmente reduzirá os erros ocorridos durante o espaçamento. No entanto, fatores-chave, como o uso de materiais isolantes e a adoção de montagem dupla face, desempenham um papel crítico ao determinar os requisitos de espaçamento dos componentes da PCB.

Os materiais isolantes atuam como uma barreira da chapa entre os nós de alta tensão. Eles também protegem ou cobrem fios de alta tensão superexpostos. Existe uma alta proporção de componentes de PCB pertencentes à categoria montada na superfície, o que permite aos projetistas colocar circuitos conforme a exigência de folga em lados opostos da placa. Também é importante manter a distância da superfície delimitadora e dos pontos de conexão do orifício de passagem que já estão presentes na placa. Os nós dentro dos mesmos circuitos de alta tensão e com o mesmo potencial não requerem aumento de folga ou de fluência. No entanto, os circuitos de baixa tensão precisam atender aos requisitos de folga.

Poucos padrões internacionais sugeriram o uso de revestimento conforme para limitar questões relacionadas à folga. O revestimento conforme é aplicado conforme o requisito do projeto. A distância mínima de fluência pode resolver falhas de rastreamento. Evitar o caminho condutor ao longo da superfície do isolador limita as falhas de rastreamento. Vários fatores que afetam a fluência e a liberação incluem:

  1. Tensão de trabalho
  2. Grau de poluição
  3. Materiais isolantes
  4. Tipo de circuito

Tensões de trabalho para fluência e folga

Uma tensão de trabalho é definida como a tensão mais alta em qualquer isolamento específico quando o equipamento é submetido a uma tensão nominal. Esta definição é afirmada em várias normas internacionais, incluindo IEC 950 e EN 60950. Os valores de fluência e folga são calculados determinando a tensão de trabalho sob uma certa tensão de operação. Ao determinar as tensões de trabalho, precisamos avaliar as tensões de pico e raiz quadrada média (RMS). O valor de pico da tensão DC determinará a folga e o valor RMS da tensão CA determinará a distância de fluência.

Com base na tensão de trabalho, calculamos o espaçamento mínimo entre linhas de PCB. Por exemplo, a tensão de trabalho do circuito secundário de 609V suportará o pico de tensão de 2700V conforme IEC-60950-1, de modo que a tensão do quadrado médio da raiz (RMS) será 2700V * √2 = 3818V. Conforme UL 796, o critério 40V / mil é aplicado para calcular a distância mínima necessária. Portanto, o espaçamento entre os dois traços seria 3818/40 = 95,45 mils.

Tensão de trabalho V (a)Tensão pico a pico

V (p)

Tensão raiz quadrada média

V (a-rms)

500 V1750 V3257 V
526 V2000 V3566 V
551 V2200 V3803 V
575 V2400 V4034 V
609 V2700 V4369 V
620 V2800 V4478 V

A tabela acima mostra como os valores de tensão pico a pico variam com as tensões de trabalho conforme IEC-60950-1.

Grau de poluição

O grau de poluição é uma classificação de acordo com a quantidade de poluição seca e condensação presente nos arredores. Maior grau de poluição, mais contaminação e condensação de poeira, afetando a segurança do produto. As distâncias de fluência e folga são ajustadas para garantir a segurança de uma placa de circuito impresso. O grau de poluição varia de acordo com o nível de contaminação e o nível de umidade na atmosfera.

Por exemplo, as áreas de laboratório estão sujeitas ao grau 2 de poluição, de acordo com vários padrões de segurança e organismos de certificação. O grau de poluição 1 pode ser aplicado aos produtos vedados dentro de caixas de ar e estanques. Por outro lado, o grau de poluição 3 é aplicado às condições ambientais mais severas, como as áreas de fabricação industrial.

De acordo com a norma IEC 60664.3, o grau de poluição é dividido em quatro categorias principais:

  • Grau de poluição 1: Poluição zero ou ambiente seco. Nesse tipo, há poluição não condutora, que não é prejudicial às operações do circuito eletrônico. Exemplos podem ser caixas seladas ou produtos em vasos.
  • Grau de poluição 2: Principalmente, há poluição não condutora. No entanto, existe a possibilidade de ocorrência de poluição condutora temporária, causada pela condensação. A área laboratorial é um dos exemplos do grau de poluição 2.
  • Grau de poluição 3: Nesse tipo, a poluição ou contaminação condutiva ocorre devido à presença de umidade ou poeira nos arredores. Por exemplo, ambientes industriais pesados ​​são mais expostos ao pó.
  • Grau de poluição 4: Existe uma condutividade persistente, causada pelo excesso de umidade e contaminação por poeira. Condições externas, como chuva ou queda de neve, podem levar ao grau de poluição 4 e resultar em condutividade persistente.

Várias medidas são tomadas para evitar o efeito do grau de poluição na fluência e na liberação. Essas etapas são executadas de acordo com os vários recursos de design relacionados ao espaçamento entre linhas da placa de circuito impresso e às características operacionais do sistema. Por exemplo, o grau de poluição 2 é evitado limitando o acúmulo de umidade ou partículas de poeira através do fornecimento de ventilação. Além disso, aquecedores e ventiladores evitarão a contaminação. A energização ou aplicação contínua de calor é altamente preferida nos casos em que o equipamento é operado sem interrupção. A energização contínua também evita o excesso de resfriamento, para que a condensação não ocorra.

Além disso, o grau de poluição 3 é evitado com o uso de compartimentos apropriados. Esses gabinetes limitam fatores ambientais externos, como a umidade.

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Tipos de isolamento para componentes

Normalmente, um único nível de isolamento é preferido para os circuitos eletrônicos que não são acessíveis. No entanto, preferimos o uso de isolamento de duplo nível para proteção contra tensão perigosa. Várias regras devem ser seguidas para implementar um sistema de isolamento de dois níveis.

As barreiras de isolamento são necessárias para circuitos que se enquadram nos padrões de segurança de tensão extra baixa (SELV). Os sistemas de tensão extra-baixa (SELV) de segurança ou tensão de toque do usuário são denominados como um sistema elétrico no qual a tensão não pode exceder um valor permitido em condições normais definidas nas normas IEC e EN 60335. Essas tensões SELV devem ser não perigosas. Esses circuitos SELV operam em baixos níveis de potência e lógica, como ± 3,3 a ± 24 VCC. Alguns dos exemplos de circuitos SELV incluem conectores de entrada / saída e cabos conectados a dispositivos periféricos, como impressoras e teclados.

Classificação dos tipos de isolamento

Os tipos de isolamento são majoritariamente categorizados em cinco tipos diferentes, denominados funcional, básico, duplo, suplementar e reforçado. As definições para esses tipos de isolamento são mencionadas em vários padrões e são de natureza bastante complexa. É importante que os designers conheçam todas essas regras e as apliquem no design conforme os requisitos.

É altamente crítico isolar tensões perigosas dos circuitos de segurança de tensão extra-baixa (SELV). Os seguintes tipos de isolamento são definidos de acordo com os padrões internacionais:

  1. Isolamento funcional: esse tipo de isolamento garante a funcionalidade adequada do produto, mas não garante proteção de segurança.
  2. Isolamento básico: fornece uma única camada de isolamento para evitar danos ao componente eletrônico.
  3. Isolamento suplementar: esse tipo de isolamento adiciona uma camada extra de proteção ao isolamento básico para protegê-lo da condensação.
  4. Isolamento duplo: é uma combinação de isolamento funcional, básico e suplementar.
  5. Isolamento reforçado: isso é fornecido em um único sistema que oferece a mesma proteção que o isolamento duplo.

Esses padrões de segurança ajudam os projetistas a proteger o circuito eletrônico de uma condição anormal (falha única). Condições de falha única são evitadas através da implementação de isolamento duplo ou reforçado, onde uma segunda camada permanece para proteção.

Falha no filamento anódico condutor (CAF)

O filamento anódico condutor (CAF) é o filamento metálico, causado devido à eletromigração de cobre em uma placa de circuito impresso. Isso ainda leva à falha do dispositivo. O crescimento da CAF une dois condutores de cobre polarizados de maneira oposta. O CAF ocorre de quatro maneiras diferentes, como furo passante para furo passante, linha a linha, furo passante até a linha e camada a camada. O CAF ocorre principalmente devido aos dois fatores principais, incluindo um teste ou tensão de polarização (tensão aplicada durante o teste do dispositivo) e alta umidade relativa. A falha do CAF ocorre particularmente no furo a furo, conforme mostrado no diagrama abaixo.

Formação CAF

Os principais fatores que influenciam o crescimento da CAF incluem força do campo elétrico, aumento da temperatura, umidade e o tipo de laminado. Os defeitos de fabricação também podem levar à falha do CAF. No entanto, a falha do CAF ocorre principalmente em placas de circuito de alta densidade, levando a um espaçamento reduzido das linhas de PCB.

O crescimento do filamento metálico é tipicamente de um ânodo de cobre para um cátodo de cobre, o que acaba levando à falha elétrica do circuito eletrônico. A CAF ocorre em duas etapas: a degradação da interface resina-vidro e a migração eletroquímica do cobre, causando o crescimento do filamento.

A degradação da interface de vidro de resina é um processo reversível, em que a resistência de isolamento do material é retornada após os processos de cozimento e secagem. Acredita-se que a segunda etapa do crescimento real da CAF seja irreversível. O tempo necessário para a falha do CAF depende da tensão de teste, umidade relativa, espaçamento, aumento de temperatura e sistema de resina.

A degradação da interface de vidro de resina ocorre quando o PCB se comporta como uma célula, com a ocorrência da seguinte reação:

No ânodo:

Cu -> Cu (n +) + ne (-)

H20-> ½ O2 + 2 H + 2e (+)

No cátodo:

H20 + e- -> ½ H2 +2OH (+)

Espaçamento entre componentes da placa de circuito impresso

Em alguns casos, onde a segurança elétrica e o isolamento de tensão recebem alta prioridade, a fluência e a folga e as distâncias de isolamento são importantes. O espaçamento do terminal, conector e componente da placa de circuito impresso está bem definido em vários padrões internacionais. No entanto, dividiremos o espaçamento em duas partes, como:

1) Espaçamento entre as partes vivas não isoladas e outras partes metálicas não isoladas Isso inclui o espaçamento entre os terminais e o dissipador de calor, chassi, caixas de metal, gabinete, etc.

2) Espaçamento entre as partes vivas não isoladas com polaridade oposta. Isso inclui o terminal, conector, fio desencapado, espaçamento de componentes adjacentes, etc.

O uso de um envasamento de silicone de alta temperatura nos terminais do dispositivo permite um aumento no espaçamento entre duas partes da vida útil do circuito. Automaticamente, essa medida melhorará a segurança elétrica, aumentando os “espaçamentos” das terminações, oferecendo um nível mais alto de grau de poluição.

Para obter mais informações sobre design, consulte nossa equipe de DESIGN SERVICE.

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