В конструкции печатной платы (PCB) зазор внутреннего слоя относится к промежутку или расстоянию между соседними медными слоями внутри платы. Этот зазор играет решающую роль в обеспечении надлежащей целостности сигнала, электрических характеристик и надежности схемы. В этой статье мы рассмотрим важность зазора внутреннего слоя в конструкции печатной платы и обсудим его влияние на общую функциональность схемы.
Важность зазора внутреннего слоя печатной платы
Зазор внутреннего слоя печатной платы, также называемый интервалом или зазором, представляет собой расстояние между проводящими дорожками или элементами на внутренних слоях печатной платы. Он играет решающую роль в обеспечении надежной и эффективной работы печатной платы. Вот несколько причин, по которым зазор внутреннего слоя печатной платы важен.
Электрическая изоляция
Зазор внутреннего слоя обеспечивает надлежащую электрическую изоляцию между соседними дорожками, контактными площадками и медными элементами на печатной плате. Это помогает предотвратить электрические короткие замыкания и непреднамеренные соединения, которые могут привести к неправильной работе или повреждению цепи.
Целостность сигнала
Поддержание надлежащего зазора между сигнальными дорожками на внутренних слоях имеет решающее значение для сохранения целостности сигнала. Обеспечивая достаточное расстояние, он сводит к минимуму перекрестные помехи и электромагнитные помехи (ЭМП) между соседними дорожками, уменьшая вероятность ухудшения сигнала и обеспечивая точную передачу данных.
Соображения по напряжению
Зазор внутреннего слоя особенно важен в высоковольтных приложениях. Чтобы определить зазор внутреннего слоя печатной платы, производитель должен сначала знать высокие и рабочие напряжения для печатной платы. Рабочее напряжение печатной платы и соответствующие ему высокие напряжения могут сильно различаться, поэтому оптимальный зазор внутреннего слоя может быть разным для разных напряжений и печатных плат. Стандарт IPC-2221 определяет правила для зазоров между внутренними слоями печатных плат. Этот стандарт охватывает наиболее важные детали конструкции печатной платы, включая электрические зазоры, форму платы и монтажные отверстия. Эти параметры будут определять механическую поддержку и размещение компонентов.
Рассеивание тепла
Зазор внутреннего слоя также может влиять на тепловые характеристики печатной платы. Достаточное расстояние между медными элементами обеспечивает эффективное рассеивание тепла, предотвращая накопление тепла и потенциальное повреждение компонентов или окружающих схем.
Гибкость дизайна
Поддерживая соответствующий зазор между внутренними слоями, разработчики печатных плат получают больше гибкости при разводке дорожек и размещении компонентов на плате. Достаточное расстояние обеспечивает пространство для модификации конструкции, обновления компонентов и будущих расширений, повышая общую гибкость конструкции печатной платы.
Правила проектирования зазоров в печатной плате
Стандарты утечки и зазора для печатных плат
Если вы не заинтересованы в том, чтобы узнать о значении утечки и зазора на собственном опыте, есть несколько стандартов, которые помогут нам. Стандарты IEC 60601 и IPC 2221 особенно полезны при определении подходящего расстояния между проводниками на основе различных уровней напряжения и ситуаций. Эти стандарты содержат конкретные рекомендации по обеспечению безопасности и надежности электронных конструкций.
Несколько документов охватывают стандарты утечки и зазоров для печатных плат, основным из которых является IPC-2221. Этот стандарт содержит общие рекомендации по различным правилам проектирования, включая требуемое расстояние для высоковольтных цепей. Пределы расстояния определяются на основе таких факторов, как тип напряжения (постоянное или переменное), слои внутри печатной платы, внешние слои с покрытием или без покрытия, а также материалы, используемые для подложки. В дополнение к IPC-2221 вы можете найти дополнительную информацию в следующих стандартах:
IPC-9592: Этот стандарт является более конкретным, чем IPC-2221, поскольку он определяет требования к размещению устройств преобразования энергии, которые работают выше 100 вольт.
UL-61010-1: Эти стандарты определяют требования безопасности при проектировании электрического испытательного и лабораторного оборудования, а также другого промышленного оборудования.
UL-60950-1: Этот стандарт предназначен для приложений высокого и низкого напряжения в широком спектре оборудования.
Низкое напряжение VS Высокое напряжение
Проектирование цепей высокого напряжения/сильного тока и высокоскоростных цепей требует соблюдения требований безопасности и обеспечения целостности сигнала. Два важных аспекта проектирования, которые имеют решающее значение в обеих областях, — это значения зазора дорожки печатной платы и значения зазора контактных площадок. Эти варианты конструкции играют жизненно важную роль в достижении баланса между безопасностью, шумоподавлением и простотой изготовления. Тщательно продумывая и применяя соответствующие значения зазоров, разработчики могут обеспечить надежную и эффективную работу своих цепей, соблюдая при этом необходимые стандарты безопасности и минимизируя помехи сигналам.
Низкое напряжение (<15 В)
В соответствии со стандартами напряжения и расстояния IPC 2221 правила минимального зазора печатной платы (фактически, зазор между любыми двумя проводниками) составляют 0.1 мм для устройств общего назначения или 4 мила. Для устройств преобразования энергии эта минимальная дорожка печатной платы с расстоянием между ними составляет 0.13 мм или 5.1 мил. Эти платы вряд ли можно назвать «высоковольтными», а расстояние между проводниками в этих платах начинает граничить с режимом HDI.
При этих напряжениях вы можете работать с цифровыми сигналами, низкочастотными аналоговыми сигналами или просто постоянным током при умеренном токе. Для цифровых сигналов типичным правилом является простое следование правилу «3W», согласно которому зазор между дорожками в три раза превышает ширину дорожки. Для типичной микрополосковой схемы с регулируемым импедансом 50 Ом ширина дорожки будет ~20 мил, поэтому рекомендуемое расстояние между дорожками на печатной плате составляет 60 мил. С этими трассировками вы по-прежнему соответствуете требованиям IPC 2221, и вам следует в первую очередь сосредоточиться на эффективной маршрутизации и DFM. Даже в режиме HDI, когда вам может понадобиться трассировка между контактными площадками с малым шагом в BGA, вам не нужно беспокоиться об этих требованиях к напряжению, поскольку вы обычно работаете при 3.3 В или ~ 1 В.
Высокое напряжение (> 15 В)
При высоком напряжении постоянного тока основной задачей при выборе значения зазора дорожек печатной платы является предотвращение электростатического разряда и роста дендритов между оголенными проводниками. При высоком напряжении переменного тока или импульсном стабилизаторе, выдающем большой ток, теперь вам придется беспокоиться о перекрестных помехах, а также об электростатическом разряде и росте дендритов. Рекомендации по подавлению перекрестных помех по-прежнему завышают требуемый интервал напряжения между проводниками, пока вы не доберетесь до очень высоких напряжений.
Чтобы увидеть, как вам может понадобиться найти баланс между IPC 2221 и подавлением перекрестных помех, рассмотрим следующую гипотетическую ситуацию. Предположим, у вас есть микрополосковая полоска с контролируемым импедансом (шириной 20 мил) рядом с высоковольтной линией переменного тока или вблизи дорожек, входящих/выходящих из сильноточного регулятора постоянного тока. Если вы следуете правилу «3W», расстояние между параллельными микрополосками и близлежащей высоковольтной линией должно составлять 1.5 мм или ~ 60 мил. Этого более чем достаточно для соответствия IPC 2221 до тех пор, пока уровень высокого напряжения не достигнет 180 В для устройств преобразования энергии или 340 В для других высоковольтных изделий.
При высоком напряжении проблема заключается не столько в частоте цифровых фронтов, сколько в частоте высоковольтной линии переменного тока. Любой колебательный сигнал может вызвать перекрестные помехи в соседней трассе, если трассы расположены близко друг к другу; это известная проблема шума с высоковольтными регуляторами постоянного тока и их нисходящими сигнальными линиями. При высоком выходном токе такие перекрестные помехи могут вызвать непреднамеренное переключение в высокоскоростных цифровых компонентах. Лучше выбрать большее расстояние между высоковольтной линией переменного тока и соседними линиями постоянного тока или цифровыми линиями.
Таким образом, зазор внутреннего слоя печатной платы жизненно важен для обеспечения электрической изоляции, целостности сигнала, безопасности напряжения, технологичности, рассеивания тепла и гибкости конструкции. Принимая во внимание эти факторы и придерживаясь соответствующих рекомендаций по зазорам, разработчики печатных плат могут создавать надежные и высокопроизводительные печатные платы, подходящие для широкого спектра приложений.
