PCB 設計の究極ガイド: SMT コンポーネントのパッド間の最小電気的クリアランスを科学的に定義する, 「経験則」を超えて’

現代の高速では, 高密度エレクトロニクス, 正確に設計された プリント基板 (プリント基板) 中心的な枠組みとして機能します. 表面実装技術として (SMT) 限られたスペース内に数千の小型コンポーネントを配置, 根本的な安全性の問題が生じる: 隣接するコンポーネントのパッド間に必要な最小電気的クリアランスはどれくらいですか (土地) 確実な動作を保証するために?

本格的なエンジニアリングでは, 依存している “経験則” または、この答えに対する直感が不十分であり、潜在的に危険です. 本当の答えは厳密な科学的枠組みの中にあります, によって発行された権威ある標準に基づいて IPC (エレクトロニクス産業をつなぐ協会). このガイドでは、IPC-2221 および IPC-610 の中心原則について説明します。, 電圧の複雑さを解決する, 環境, この重要性を定義するための完全なロジックと実践的な方法論を明らかにするための資料と “安全距離。”

私. コアコンセプト: 電気的クリアランス – “安全バッファ” PCBの信頼性のために

電気的クリアランス, 最も簡単な言葉で言うと, 接続されていない 2 つの導電部分間の空気中の最短直線距離です。. という文脈で プリント基板, 特に隣接するはんだパッド間の絶縁空間を指します。, 痕跡, または銅エリア.

その物理的な重要性と主な使命は次のとおりです。 高電界下での空気絶縁破壊を防止, それにより円弧を回避します, 短絡, または漏れ電流. 特に高温などの過酷な動作環境では, 高湿度, 導電性粉塵汚染, または高地 - 隙間が不十分だと断熱強度が大幅に低下します. これは重大な障害点になる可能性があります, 製品の早期故障や、さらには安全上の危険につながる可能性があります. したがって, それは単なる幾何学的パラメータではなく、本質的なものです “安全バッファ” PCB と最終製品の長期安定性を確保します。 プリント基板アセンブリ (プリント基板).

Ⅱ. デザインソース: IPC-2221 – “デシジョンマップ” 科学計算用

IPC-2221, “汎用標準オン プリント基板設計,” の基礎的な文書です プリント基板設計. 普遍的な価値を恣意的に規定するのではなく、多変数の評価に基づいた科学的な意思決定の枠組みを確立します。. この枠組みを理解することが経験主義を超える第一歩です.

最小電気的クリアランスを決定する 4 つの主要な変数:

1. ピーク動作電圧: 回路内の隣接する点間の最大電位差. これが要件の核心要因です。電圧が高くなると、より大きな電圧が必要になります。 “安全距離。”

2. 汚染度: 製品の動作環境に期待される清浄度. IPC 規格ではこれを次のように分類しています。 1 に 4. 程度が高いほど、導電性粉塵が含まれる可能性のある環境を示します。, 結露, または塩水噴霧, 追跡リスクを軽減するためにクリアランスを増やす必要がある.

3. プリント基板材料グループ: 材料の比較追跡指数によって分類 (CTI), 導電性漏洩経路の形成に対する材料の表面抵抗を測定します. 一般的な FR-4 は通常、グループ III に分類されます。 (CTI ≧ 100V), 一方、高性能材料はグループ I を達成する可能性があります。 (CTI ≧ 600V).

4. アプリケーションの高度: 標高が高くなると空気が薄くなり、断熱強度が低下します. 上記で動作する機器の場合 2000 メーター, 表にまとめられたクリアランス値には、次よりも大きい高度補正係数を乗算する必要があります。 1.

申請プロセス: テーブルルックアップから最終値まで

IPC-2221 は概要を示す詳細な表を提供します “最小内部” そして “最小限の外部” これらの変数のさまざまな組み合わせに対するクリアランス. 表面のSMTコンポーネントパッド用, 私たちは焦点を当てます “外部クリアランス。”

意思決定プロセスは次のように簡略化できます。:
ステップ 1: パラメータの定義. 最高動作電圧を決定する (DCまたはACピーク) 隣接するパッドネット間; 製品の使用環境を評価して汚染度を設定します (多くの場合、度にプリセットされます 2 家庭用屋内電子機器用); の CTI グループを確認します。 プリント基板基材; 最大動作高度を特定する.
ステップ 2: テーブルルックアップによる基本値の取得. 上記のパラメータを使用する, IPC-2221 の該当する表を相互参照します。 (例えば。, IPC-2221B) 理論上の最小電気的クリアランスを見つけるには.

電圧とクリアランス間の正の相関関係を説明するには, ここにあります 標準のロジックに基づくテーブルの例:
*(重要な注意事項: 実際のデザインについては, 最新バージョンの IPC-2221 テーブルを参照する必要があります。. この例は、傾向を説明するためだけのものです。)*

*IPC-2221設計標準フレームワークから派生したデータロジック. 特定の値は現在の標準と照らし合わせて検証する必要があります。*

ステップ 3: 高度補正. 該当する場合, 表にある値に指定された補正係数を乗算します。.

重要なポイント #1: 質問に対して “SMT パッドの最小クリアランスはどれくらいですか?”, IPC-2221 による正解は次のとおりです。: “製品の電圧によって異なります, 環境, 材料, そして高度。” 安全な環境における一般的な 3.3V または 5V の低電圧デジタル回路用, 0.1mm程度の低さになる可能性があります, しかし、これは 無条件ではない “普遍的な価値観。”

Ⅲ. 製造ゲージ: IPC-610 – “ガーディアン” 設計意図の

IPC-2221 が設計者向けのルールを提供する場合, 次にIPC-610, “電子アセンブリの受け入れ可能性,” です “グレーディング” 製造の基準と 品質管理 人員. それは、 “安全バッファ” 設計時に定義された内容は、複雑な PCBA 製造プロセス中に損なわれることはありません.

IPC-610H は設計クリアランス値を直接指定しません. その代わり, 設計ドキュメントを使用します (IPC-2221に従う必要があります) 適合性評価のゴールドスタンダードとして:

• はんだブリッジの防止: 設計された電気的クリアランスに違反する、接続されていないパッド間に形成されたはんだブリッジは欠陥とみなされます。. これは、SMT プロセスにおけるクリアランスを守るための最初の防御線です.

• はんだ残りの制御: また、はんだボールなどのはんだ残留物は、設計ファイルで指定された最小電気的クリアランスを満たす、それ自体および隣接する導体からの距離を維持する必要があります。.

• ベアボードの検証: SMT組立を始める前に, IPC-610 では、ベア PCB の線幅と間隔も確認する必要があります。 (パッド間隔も含めて) 設計に適合する. これはあなたのことを意味します PCBメーカー IPC-2221 に基づいて計算したクリアランス値を一貫して達成できる必要があります。.

重要なポイント #2: IPC-610H は、 “守護者” 製造側で. 後続のすべてのプロセス (SMT 印刷) が義務付けられています。, 配置, リフローはんだ付け - 設計された安全境界を侵害してはなりません (IPC-2221などの規格で定義されている) あらゆる欠陥を通して, ブリッジやはんだボールなど.

Ⅳ. 定番から実践まで: PCBプロセスとの相互検証, 材料, および安全規制

標準をマスターすることは最初のステップにすぎません. 優秀なエンジニアは理論上の要件を現実世界と相互検証する必要がある PCB プロセス能力, 材料特性, 真に製造可能で信頼性の高い設計値に到達するための最終製品の安全規制.

検証 1: プロセス能力が物理的な下限を設定する

IPC 規格では、 “理論上の安全値,” 一方、製造プロセスは “物理的に達成可能な値。”

• PCB 製造の制限: すべての PCB メーカーは、明示されたプロセス能力を持っています, 通常は次のように表現されます “最小線幅/スペース,” 例えば。, “4/4 ミル” (～0.1/0.1mm). IPC-2221の計算では0.08mmしか必要ないとしても, 製造業者の能力を下回る設計を行うと、歩留まりが大幅に低下したり、生産が不可能になったりします。. したがって: 実際の設計クリアランス ≥ 最大(IPC理論値, PCB工場 能力制限).

• SMT アセンブリの課題: ここは電気的クリアランスが最も頻繁に損なわれる場所です. ファインピッチコンポーネント用 (例えば。, ピッチ付きIC <0.5mm), 正確なステンシル開口部設計, はんだペーストの量制御 (SPI機器に依存する), 最適化されたリフロープロファイルは、表面張力による溶融はんだのブリッジングを防ぐために重要です。, クリアランスを侵食するもの.

検証 2: 特定の用途と材料要件

• 高電圧 & 安全認証: 電源などの製品向け, 産業用制御, または自動車エレクトロニクス, IEC や UL などの安全規格によるより高い沿面距離要件を満たすために、基本的な電気的クリアランスを追加する必要があることがよくあります。. これにはスロットを追加するなどの戦術が必要になる場合があります, はんだマスクの厚さを増やす, またはより高いCTI素材を使用する. PCB 製造に関する問い合わせの際に、これらの高電圧要件を明確に伝えることが不可欠です.

• マイクロコンポーネントの信頼性: などの超小型部品を搭載 01005 または 0201 チップ部品, パッド間の物理的スペースは最小限です. ここでの十分なクリアランスは、電気絶縁のためだけでなく、適切なはんだ接合の形成を保証し、次のような欠陥を防ぐための物理的基盤でもあります。 “墓石を立てること。”

V. 究極の実践ガイド: エンジニアのための体系的なチェックリスト

次回、パッド間の電気的クリアランスを決定または確認する必要があるとき, この体系的なワークフローに従ってください:

1. 要件の定義: 回路ネット間の最高動作電圧を特定する, 製品の使用環境 (汚染度), と高度.

2. 規格を参照してください: 最新の IPC-2221 標準を使用し、 PCB材料 グループ, テーブル検索を実行して、理論上の最小電気的クリアランス値を取得します。 あ.

3. ベンチマークプロセス能力: PCB サプライヤーに問い合わせるか、そのプロセス仕様を確認して、信頼性の高い最小フィーチャ間隔能力を取得してください。 B.

4. 安全規制の確認: 製品に認証が必要な場合 (例えば。, UL, IEC), これらの規格から特定の空間距離と沿面距離の要件を確認してください。, 価値 C.

5. 設計の最終決定: 最終的に採用された設計値 = 最大 (あ, B, C). この値は、PCB 設計文書に明確に注釈を付ける必要があります。.

6. 製造 & 承諾: この設計値を含む文書を貴社に提供してください。 PCBAサプライヤー. はんだブリッジと残留物に関する IPC-610 の条項を相互合格基準として使用する.

結論

SMT コンポーネントのパッド間の最小電気的クリアランスは、電気的安全理論を統合する学際的な課題です, 材料科学, 環境工学, 高度な製造プロセス. 設計者には、単純な経験的な数値を超えて、IPC 標準に基づいた体系的なエンジニアリングの考え方を受け入れることが求められます。, プロセス能力に基づいた, 安全規制の制約を受ける. そうして初めて、設計された PCB と PCBA が製品のライフサイクル全体にわたって製品の機能と安全性を確実に維持できるようになります。, 競争力の確保.