สุดยอดคู่มือการออกแบบ PCB: การกำหนดระยะห่างทางไฟฟ้าขั้นต่ำระหว่างแผ่นส่วนประกอบ SMT ทางวิทยาศาสตร์, ก้าวไปไกลกว่า 'Rule of Thumb'’

ในความเร็วสูงที่ทันสมัย, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความหนาแน่นสูง, ออกแบบมาอย่างแม่นยำ แผงวงจรพิมพ์ (พีซีบี) ทำหน้าที่เป็นกรอบกลาง. เป็นเทคโนโลยีการยึดพื้นผิว (SMT) วางส่วนประกอบขนาดเล็กหลายพันชิ้นไว้ภายในพื้นที่จำกัด, มีคำถามด้านความปลอดภัยขั้นพื้นฐานเกิดขึ้น: ระยะห่างทางไฟฟ้าขั้นต่ำที่ต้องการระหว่างแผ่นส่วนประกอบที่อยู่ติดกันคือเท่าใด (ที่ดิน) เพื่อให้มั่นใจถึงการดำเนินงานที่เชื่อถือได้?

ในทางวิศวกรรมอย่างจริงจัง, พึ่งพา “กฎง่ายๆ” หรือสัญชาตญาณสำหรับคำตอบนี้ไม่เพียงพอและอาจเป็นอันตรายได้. คำตอบที่แท้จริงอยู่ในกรอบทางวิทยาศาสตร์ที่เข้มงวด, นำโดยมาตรฐานที่เชื่อถือได้ซึ่งเผยแพร่โดย IPC (สมาคมเชื่อมต่ออุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์). คู่มือนี้จะอธิบายหลักการสำคัญของ IPC-2221 และ IPC-610, ตัดผ่านความซับซ้อนของแรงดันไฟฟ้า, สิ่งแวดล้อม, และเอกสารที่จะเปิดเผยตรรกะที่สมบูรณ์และวิธีการปฏิบัติเพื่อกำหนดวิกฤตนี้ “ระยะห่างที่ปลอดภัย”

ฉัน. แนวคิดหลัก: การกวาดล้างไฟฟ้า – The “บัฟเฟอร์ความปลอดภัย” สำหรับความน่าเชื่อถือของ PCB

การกวาดล้างไฟฟ้า, ในแง่ที่ง่ายที่สุด, คือระยะทางเส้นตรงที่สั้นที่สุดในอากาศระหว่างส่วนนำไฟฟ้าสองส่วนที่ไม่ได้เชื่อมต่อกัน. ในบริบทของ PCBS, โดยเฉพาะอย่างยิ่งหมายถึงช่องว่างฉนวนระหว่างแผ่นประสานที่อยู่ติดกัน, ร่องรอย, หรือพื้นที่ทองแดง.

ความสำคัญทางกายภาพและภารกิจหลักคือการ ป้องกันการสลายอิเล็กทริกของอากาศภายใต้สนามไฟฟ้าสูง, จึงหลีกเลี่ยงส่วนโค้ง, ลัดวงจร, หรือกระแสรั่วไหล. โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมการทำงานที่รุนแรง เช่น สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง, ความชื้นสูง, การปนเปื้อนของฝุ่นที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า, หรือระดับความสูงสูง - การกวาดล้างไม่เพียงพอจะลดความแข็งแรงของฉนวนลงอย่างมาก. นี่อาจกลายเป็นจุดวิกฤติของความล้มเหลวได้, นำไปสู่ความล้มเหลวของผลิตภัณฑ์ก่อนเวลาอันควรหรือแม้กระทั่งอันตรายด้านความปลอดภัย. ดังนั้น, มันไม่ได้เป็นเพียงพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตเท่านั้น แต่ยังจำเป็นอีกด้วย “บัฟเฟอร์ความปลอดภัย” สร้างความมั่นใจในระยะยาวของ PCB และขั้นสุดท้าย การประกอบแผงวงจรพิมพ์ (พีซีบี).

ครั้งที่สอง. แหล่งที่มาของการออกแบบ: IPC-2221 – The “แผนที่การตัดสินใจ” สำหรับการคำนวณทางวิทยาศาสตร์

ไอพีซี-2221, “เปิดมาตรฐานทั่วไป การออกแบบบอร์ดพิมพ์,” เป็นเอกสารพื้นฐานใน การออกแบบ PCB. ไม่ได้กำหนดคุณค่าสากลโดยพลการ แต่สร้างกรอบการตัดสินใจทางวิทยาศาสตร์โดยอิงจากการประเมินหลายตัวแปร. การทำความเข้าใจกรอบการทำงานนี้เป็นก้าวแรกนอกเหนือจากประสบการณ์นิยม.

ตัวแปรหลักสี่ตัวแปรที่กำหนดระยะห่างทางไฟฟ้าขั้นต่ำ:

1. แรงดันใช้งานสูงสุด: ความต่างศักย์สูงสุดระหว่างจุดที่อยู่ติดกันในวงจร. นี่คือตัวขับเคลื่อนหลักของข้อกำหนด - แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นจำเป็นต้องมีมากขึ้น “ระยะห่างที่ปลอดภัย”

2. ระดับมลพิษ: ความสะอาดที่คาดหวังของสภาพแวดล้อมการทำงานของผลิตภัณฑ์. มาตรฐาน IPC จำแนกสิ่งนี้จาก 1 ถึง 4. ระดับที่สูงขึ้นบ่งชี้ว่าสภาพแวดล้อมอาจมีฝุ่นที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า, การควบแน่น, หรือสเปรย์เกลือ, จำเป็นต้องมีการกวาดล้างเพิ่มขึ้นเพื่อลดความเสี่ยงในการติดตาม.

3. กลุ่มวัสดุ PCB: แบ่งประเภทตามดัชนีการติดตามเปรียบเทียบของวัสดุ (ซีทีไอ), ซึ่งวัดความต้านทานพื้นผิวของวัสดุต่อการสร้างเส้นทางการรั่วไหลที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า. โดยทั่วไป FR-4 ทั่วไปจะจัดอยู่ในกลุ่ม III (CTI ≥ 100V), ในขณะที่วัสดุประสิทธิภาพสูงอาจเข้ากลุ่ม I ได้ (CTI ≥ 600V).

4. ความสูงของแอปพลิเคชัน: ระดับความสูงที่สูงขึ้นหมายถึงอากาศที่บางลงและความแข็งแรงของฉนวนลดลง. สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานข้างต้น 2000 เมตร, ค่าช่องว่างในตารางจะต้องคูณด้วยปัจจัยการแก้ไขระดับความสูงที่มากกว่า 1.

ขั้นตอนการสมัคร: จากการค้นหาตารางไปจนถึงค่าสุดท้าย

IPC-2221 จัดทำตารางโดยละเอียดโดยสรุป “ภายในขั้นต่ำ” และ “ภายนอกขั้นต่ำ” การกวาดล้างสำหรับชุดค่าผสมต่างๆ ของตัวแปรเหล่านี้. สำหรับแผ่นส่วนประกอบ SMT บนพื้นผิว, เรามุ่งเน้นไปที่ “การกวาดล้างภายนอก”

กระบวนการตัดสินใจสามารถทำได้ง่ายขึ้นเช่น:
ขั้นตอน 1: คำจำกัดความของพารามิเตอร์. กำหนดแรงดันไฟฟ้าทำงานสูงสุด (จุดสูงสุดของ DC หรือ AC) ระหว่างตาข่ายแผ่นที่อยู่ติดกัน; ประเมินสภาพแวดล้อมการใช้งานของผลิตภัณฑ์เพื่อกำหนดระดับมลพิษ (มักจะตั้งไว้เป็นองศา 2 สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในอาคารสำหรับผู้บริโภค); ยืนยันกลุ่ม CTI ของ วัสดุฐาน PCB; ระบุระดับความสูงในการทำงานสูงสุด.
ขั้นตอน 2: รับค่าฐานผ่านการค้นหาตาราง. โดยใช้พารามิเตอร์ด้านบน, อ้างอิงโยงตารางที่เหมาะสมใน IPC-2221 (เช่น, ไอพีซี-2221B) เพื่อค้นหาระยะห่างทางไฟฟ้าขั้นต่ำตามทฤษฎี.

เพื่อแสดงให้เห็นความสัมพันธ์เชิงบวกระหว่างแรงดันไฟฟ้าและการกวาดล้าง, นี่คือ ตารางตัวอย่างตามตรรกะของมาตรฐาน:
*(หมายเหตุสำคัญ: เพื่อการออกแบบจริง, คุณต้องศึกษาตาราง IPC-2221 เวอร์ชันล่าสุด. ตัวอย่างนี้ใช้สำหรับภาพประกอบแนวโน้มเท่านั้น)*

*ตรรกะข้อมูลที่ได้มาจากเฟรมเวิร์กมาตรฐานการออกแบบ IPC-2221. ค่าเฉพาะจะต้องได้รับการตรวจสอบเทียบกับมาตรฐานปัจจุบัน*

ขั้นตอน 3: การแก้ไขระดับความสูง. ถ้ามี, คูณค่าตารางด้วยปัจจัยการแก้ไขที่ให้ไว้.

คีย์ Takeaway #1: ถึงคำถาม “การกวาดล้างแผ่น SMT ขั้นต่ำคือเท่าใด?”, คำตอบที่ถูกต้องต่อ IPC-2221 คือ: “ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าของผลิตภัณฑ์ของคุณ, สิ่งแวดล้อม, วัสดุ, และระดับความสูง” สำหรับวงจรดิจิตอลแรงดันต่ำ 3.3V หรือ 5V ทั่วไปในสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นอันตราย, อาจต่ำถึง ~0.1 มม, แต่นี่คือ ไม่ใช่แบบไม่มีเงื่อนไข “คุณค่าสากล”

ที่สาม. มาตรวัดการผลิต: IPC-610 – The “การ์เดี้ยน” ของความตั้งใจในการออกแบบ

หาก IPC-2221 กำหนดกฎเกณฑ์สำหรับนักออกแบบ, จากนั้น IPC-610, “การยอมรับของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์,” คือ “การให้คะแนน” มาตรฐานการผลิตและ การควบคุมคุณภาพ บุคลากร. มันทำให้มั่นใจได้ว่า “บัฟเฟอร์ความปลอดภัย” ที่กำหนดไว้ระหว่างการออกแบบจะไม่ถูกทำลายในระหว่างกระบวนการผลิต PCBA ที่ซับซ้อน.

IPC-610H ไม่ได้ระบุค่าช่องว่างการออกแบบโดยตรง. แทน, มันใช้เอกสารการออกแบบ (ซึ่งควรเป็นไปตาม IPC-2221) เป็นมาตรฐานทองคำสำหรับการประเมินความสอดคล้อง:

• การป้องกันการเชื่อมประสาน: สะพานประสานใด ๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างแผ่นอิเล็กโทรดที่ไม่ได้เชื่อมต่อซึ่งละเมิดระยะห่างทางไฟฟ้าที่ออกแบบไว้ถือเป็นข้อบกพร่อง. นี่คือแนวป้องกันด่านแรกสำหรับการรักษาความปลอดภัยในกระบวนการ SMT.

• การควบคุมสารตกค้างของบัดกรี: สารบัดกรีตกค้างเช่นลูกประสานจะต้องรักษาระยะห่างจากตัวมันเองและตัวนำที่อยู่ติดกันซึ่งตรงตามระยะห่างทางไฟฟ้าขั้นต่ำที่ระบุไว้ในไฟล์การออกแบบ.

• การตรวจสอบบอร์ดเปลือย: ก่อนที่การประกอบ SMT จะเริ่มต้น, IPC-610 ยังต้องการการยืนยันว่าความกว้างและระยะห่างของเส้น PCB เปลือย (รวมถึงระยะห่างของแผ่น) สอดคล้องกับการออกแบบ. นี่หมายถึงของคุณ ผู้ผลิต PCB จะต้องสามารถบรรลุค่าการกวาดล้างที่คุณคำนวณตาม IPC-2221 ได้อย่างสม่ำเสมอ.

คีย์ Takeaway #2: IPC-610H ทำหน้าที่เป็น “ผู้ปกครอง” ในด้านการผลิต. มันกำหนดว่ากระบวนการที่ตามมาทั้งหมด—การพิมพ์ SMT, ตำแหน่ง, การบัดกรีแบบรีโฟลว์—จะต้องไม่รุกล้ำขอบเขตความปลอดภัยที่ออกแบบไว้ (กำหนดโดยมาตรฐานเช่น IPC-2221) ผ่านข้อบกพร่องใดๆ, เช่นลูกเชื่อมหรือลูกประสาน.

IV. จากมาตรฐานสู่การปฏิบัติ: การตรวจสอบข้ามด้วยกระบวนการ PCB, วัสดุ, และกฎระเบียบด้านความปลอดภัย

การบรรลุมาตรฐานเป็นเพียงก้าวแรกเท่านั้น. วิศวกรที่ยอดเยี่ยมจะต้องตรวจสอบข้อกำหนดทางทฤษฎีกับโลกแห่งความเป็นจริง ความสามารถของกระบวนการ PCB, คุณสมบัติของวัสดุ, และกฎระเบียบด้านความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเพื่อให้ได้มูลค่าการออกแบบที่สามารถผลิตได้อย่างแท้จริงและเชื่อถือได้.

การยืนยัน 1: ความสามารถของกระบวนการกำหนดพื้นทางกายภาพ

มาตรฐาน IPC ให้ “ค่าความปลอดภัยทางทฤษฎี,” ในขณะที่กระบวนการผลิตกำหนด “คุณค่าทางกายภาพที่บรรลุได้”

• ขีดจำกัดการผลิต PCB: ผู้ผลิต PCB ทุกรายมีความสามารถในกระบวนการที่ระบุไว้, โดยทั่วไปจะแสดงเป็น “ความกว้าง/ช่องว่างบรรทัดขั้นต่ำ,” เช่น, “4/4 MIL” (~0.1/0.1มม). แม้ว่าการคำนวณ IPC-2221 ต้องใช้เพียง 0.08 มม. เท่านั้น, การออกแบบที่ต่ำกว่าความสามารถของผู้ผลิตจะทำให้ผลผลิตลดลงหรือทำให้การผลิตเป็นไปไม่ได้. ดังนั้น: การกวาดล้างการออกแบบจริง ≥ สูงสุด(มูลค่าทางทฤษฎีของ IPC, PCB Fab ขีดจำกัดความสามารถ).

• ความท้าทายในการประกอบ SMT: นี่คือจุดที่ช่องว่างทางไฟฟ้าถูกบุกรุกบ่อยที่สุด. สำหรับส่วนประกอบที่ดี (เช่น, ไอซีที่มีระดับเสียง <0.5มม), การออกแบบรูรับแสงลายฉลุที่แม่นยำ, การควบคุมระดับเสียงของการวางประสาน (อาศัยอุปกรณ์ SPI), และโปรไฟล์การรีโฟลว์ที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันไม่ให้บัดกรีที่หลอมละลายเชื่อมติดกันเนื่องจากแรงตึงผิว, ซึ่งกัดกร่อนการกวาดล้าง.

การยืนยัน 2: ข้อกำหนดการใช้งานและวัสดุเฉพาะ

• ไฟฟ้าแรงสูง & การรับรองความปลอดภัย: สำหรับผลิตภัณฑ์เช่นพาวเวอร์ซัพพลาย, การควบคุมทางอุตสาหกรรม, หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในรถยนต์, ระยะห่างทางไฟฟ้าขั้นพื้นฐานมักจะได้รับการเสริมเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดระยะห่างตามผิวฉนวนที่สูงขึ้นจากมาตรฐานความปลอดภัย เช่น IEC หรือ UL. ซึ่งอาจต้องใช้กลยุทธ์เช่นการเพิ่มช่อง, เพิ่มความหนาของหน้ากากประสาน, หรือใช้วัสดุ CTI ที่สูงขึ้น. การสื่อสารข้อกำหนดไฟฟ้าแรงสูงเหล่านี้อย่างชัดเจนในระหว่างการสอบถามเกี่ยวกับการผลิต PCB ถือเป็นสิ่งสำคัญ.

• ความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบระดับไมโคร: ด้วยส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กเป็นพิเศษเช่น 01005 หรือ 0201 ส่วนประกอบชิป, ช่องว่างทางกายภาพระหว่างแผ่นอิเล็กโทรดมีน้อย. การกวาดล้างที่เพียงพอไม่เพียงแต่สำหรับฉนวนไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังเป็นรากฐานทางกายภาพในการรับรองการก่อตัวของรอยประสานที่เหมาะสมและป้องกันข้อบกพร่องเช่น “หลุมฝังศพ”

วี. คู่มือปฏิบัติขั้นสูงสุด: รายการตรวจสอบที่เป็นระบบสำหรับวิศวกร

ครั้งต่อไปที่คุณต้องพิจารณาหรือตรวจสอบระยะห่างทางไฟฟ้าแบบแผ่นต่อแผ่น, ปฏิบัติตามขั้นตอนการทำงานที่เป็นระบบนี้:

1. กำหนดข้อกำหนด: ระบุแรงดันไฟฟ้าในการทำงานสูงสุดระหว่างตาข่ายวงจร, สภาพแวดล้อมการใช้งานของผลิตภัณฑ์ (ระดับมลพิษ), และระดับความสูง.

2. ปรึกษามาตรฐาน: โดยใช้มาตรฐาน IPC-2221 ล่าสุดและของคุณ วัสดุ PCB กลุ่ม, ทำการค้นหาตารางเพื่อให้ได้ค่าระยะห่างทางไฟฟ้าขั้นต่ำตามทฤษฎี อัน.

3. ความสามารถของกระบวนการมาตรฐาน: ปรึกษาซัพพลายเออร์ PCB ของคุณหรือตรวจสอบข้อกำหนดเฉพาะของกระบวนการเพื่อรับความสามารถในการเว้นระยะห่างคุณสมบัติขั้นต่ำที่เชื่อถือได้ ข.

4. ตรวจสอบกฎระเบียบด้านความปลอดภัย: หากผลิตภัณฑ์ต้องการใบรับรอง (เช่น, อล, IEC), ตรวจสอบข้อกำหนดการกวาดล้างและการคืบคลานเฉพาะจากมาตรฐานเหล่านั้น, ค่า C.

5. การตัดสินใจออกแบบขั้นสุดท้าย: ค่าการออกแบบที่นำมาใช้ขั้นสุดท้าย = สูงสุด (อัน, ข, C). ค่านี้จะต้องมีคำอธิบายประกอบอย่างชัดเจนในเอกสารการออกแบบ PCB.

6. การผลิต & การยอมรับ: จัดเตรียมเอกสารที่มีค่าการออกแบบนี้ให้กับคุณ ซัพพลายเออร์ PCBA. ใช้ข้อกำหนดใน IPC-610 เกี่ยวกับการเชื่อมประสานและสารตกค้างเป็นเกณฑ์การยอมรับร่วมกัน.

บทสรุป

ระยะห่างทางไฟฟ้าขั้นต่ำระหว่างแผ่นส่วนประกอบ SMT ถือเป็นความท้าทายแบบสหสาขาวิชาชีพที่บูรณาการทฤษฎีความปลอดภัยทางไฟฟ้า, วัสดุศาสตร์, วิศวกรรมสิ่งแวดล้อม, และกระบวนการผลิตขั้นสูง. ต้องการให้นักออกแบบก้าวไปไกลกว่าตัวเลขเชิงประจักษ์ที่เรียบง่าย และยอมรับกรอบความคิดทางวิศวกรรมที่เป็นระบบ ซึ่งได้รับคำแนะนำจากมาตรฐาน IPC, มีพื้นฐานมาจากความสามารถของกระบวนการ, และอยู่ภายใต้กฎเกณฑ์ด้านความปลอดภัย. จากนั้น PCB และ PCBA ที่ได้รับการออกแบบจึงจะสามารถรักษาฟังก์ชันและความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ตลอดวงจรชีวิตได้อย่างน่าเชื่อถือ, รับประกันความได้เปรียบในการแข่งขัน.