IPC-2221
Стандарты IPC-2221 в проектировании печатных плат
https://www.protoexpress.com/blog/ipc-2221-circuit-board-design/
IPC-2221 устанавливает стандарты для таких аспектов проектирования печатных плат, как схема, выбор материалов, управление температурным режимом, DFM, DFA, DFT и обеспечение качества. Некоторые основные требования к проектированию высоковольтных плат определены в IPC-2221B.
Они включают в себя расстояние между проводниками, ток утечки и требования к изоляции. Прежде чем углубляться в детали, давайте взглянем на стандарты IPC в целом.
Что такое стандарты IPC?
Стандарты IPC установлены для электронной промышленности и издаются торговой ассоциацией IPC. Он закладывает основу для проектирования, сборки, упаковки, межсоединений, материалов, характеристик и спецификаций контроля для электронной промышленности. Эти глобальные стандарты имеют решающее значение для создания печатных плат с высоким выходом. Соблюдение этих стандартов может сократить общение между разработчиком и производителем.
Важность стандарта IPC-2221
IPC-2221 проливает свет на предпосылки для проектирования органических плат с эффективным размещением компонентов и структурами межсоединений. Эти платы изготовлены с использованием органических материалов для печатных плат или комбинации органических и неорганических подложек.
В этом тесте учитываются аспекты высоковольтной электротехники, такие как схема расположения шин PDN, расстояние между проводниками, рассеивание тепла, контролируемый импеданс и конструкция испытательного образца.
Функции:
- Результаты основаны на стандарте IPC 2221B, таблица 6-1 (табл. 1 и 2 в этой статье).
- Поддерживает все конфигурации проводников, определенные в стандарте.
- Вычисляет минимальное расстояние между двумя проводниками
- Рассчитывает максимальное напряжение между медными элементами при известном зазоре.
Иерархия документации IPC-2221
IPC-2221 является основой серии проектов IPC-2220-FAM, на основе которой установлены принципы проектирования и рекомендации для различных типов плат. Иерархия серии 2220 показана ниже.
Вам необходимо учитывать общие стандарты, установленные IPC-2221, в сочетании с подробными требованиями, специфичными для вашего проекта. Например, при проектировании жесткой доски следует обращаться к правилам, упомянутым в IPC-2221, наряду с правилами, изложенными в IPC-2222.
IPC-2222: стандарт сечения для жестких плит.
В IPC-2222 упоминаются оптимизированные правила для эффективного размещения компонентов, плотности разводки и превосходных электрических характеристик для достижения безупречного дизайна. Используемый совместно с IPC-2221, IPC-2222 устанавливает стандарты для следующих факторов, повышающих технологичность жесткой схемы:
- Особенности отверстий и соединений
- Диэлектрическое расстояние
- Выбор материалов
- Параметры маршрутизации
- Допуск на толщину доски
- Механические параметры
IPC-2223: стандарт секций для гибких цепей.
Ключевые соображения по проектированию идеальной гибкой платы, упомянутые в IPC-2223, перечислены ниже:
IPC-2224: стандарты проектирования печатных плат с PC-картами.
Стандарт IPC-2224 представляет собой набор требований для проектирования ПК-карт. Стандарт также помогает обеспечить безопасность пассивных и активных компонентов, таких как сквозные BGA с мелким шагом, неупакованные кристаллы, устройства для монтажа в массиве и устройства для поверхностного монтажа. Характеристики материала обеспечивают безупречные физические, тепловые и электрические функции следующих типов плат:
- Тип I: односторонняя печатная плата
- Тип II: двусторонняя плата.
- Тип III: Многослойная плата без глухих или скрытых переходных отверстий.
- Тип IV: Многослойная плата со глухими или скрытыми переходными отверстиями.
- Тип V: Многослойная металлическая плата без глухих или скрытых переходных отверстий.
- Тип VI: многослойная плата с металлическим сердечником и глухими или скрытыми переходными отверстиями.
IPC-2225: проектирование органических многокристальных модулей (MCM-L) и сборок MCM-L.
IPC-2225 устанавливает правила проектирования и сборки голых чипов на подложке. Сюда входят клейкие детали, прикрепленные штампы и материалы с микроотверстиями.
IPC-2226: стандарты проектирования плат HDI
IPC-2226 устанавливает соображения проектирования структур HDI. Стандарт предоставляет атрибуты для деталей питания, заземления, сигнала и комбинированного слоя, информацию о диэлектрическом разделении, формировании сквозных отверстий и других важных факторах подложки HDI.
Он классифицирует советы HDI по шести общепринятым категориям. Классификация основана на количестве и расположении слоев схемы, которые могут соединяться или не соединяться с подложкой. Символ [C] используется, если слои примыкают к сердцевине. Для пассивных соединений реализован [P]. Например, плата HDI с двумя слоями на одной стороне ядра и одним слоем на противоположной стороне может быть представлена как 2 [C] 1. Ниже приведены определения, применимые к схемам HDI:
- Тип I (1 [C] 0 и 1 [C] 1): Сквозные переходные отверстия, соединяющие внешние слои.
- Тип II (1 [C] 0 или 1 [C] 1): Скрытые переходные отверстия в сердцевине и могут иметь сквозные отверстия, соединяющие внешние слои.
- Тип III (≥ 2 [C] ≥ 0): Сердцевина может иметь скрытые отверстия или сквозные отверстия, соединяющие внешние слои.
- Тип IV (≥ 1 [P] ≥ 0): Здесь P — пассивная подложка без электрического соединения.
- Тип V: Конструкции без ядра.
- Тип VI: Прочие конструкции.
Руководство по проектированию печатной платы HDI
5 глав – 52 страницы – 60 минут чтения
Что внутри:
- Планирование структуры штабеля и микроотверстий
- Выбор правильных материалов
- Целостность сигнала и контролируемое сопротивление в HDI
- Производственные соображения для повышения урожайности
Значение IPC-2221 в высоковольтном проектировании
IPC-2221B в основном решает две основные проблемы:
- Риск пробоя диэлектрика в сильном сильном электрическом поле: его можно устранить, выбрав правильный материал, расстояние и изоляцию, а также соблюдая чистоту.
- Возможность анодной нити.
Минимальные расстояния, необходимые для обеспечения высокого напряжения между двумя проводниками, указаны в стандарте. Эти значения оцениваются относительно пикового напряжения постоянного или переменного тока. Следует отметить, что в IPC-2221 указано точное минимальное расстояние, необходимое для пропускания напряжения около 500 В. Если напряжение превышает 500 В, расчет зазора на вольт поможет вам получить необходимое минимальное расстояние.
Стол. 1 Минимальные значения зазоров для голой платы, позволяющей пропускать напряжения определенного диапазона
| Напряжение между проводниками (Вольты) | Минимальный зазор для голой платы | |||
|---|---|---|---|---|
| Внутренние проводники | Внешние проводники, без покрытия, до уровня моря 3050 м. | Внешние проводники, без покрытия, над уровнем моря 3050 м | Внешние проводники с постоянным полимерным покрытием (любая высота) | |
| 0-15 | 0,05 мм | 0,1 мм | 0,1 мм | 0,05 мм |
| 16-30 | 0,05 мм | 0,1 мм | 0,1 мм | 0,05 мм |
| 31-50 | 0,1 мм | 0,6 мм | 0,6 мм | 0,13 мм |
| 51-100 | 0,1 мм | 0,6 мм | 1,5 мм | 0,13 мм |
| 101-150 | 0,2 мм | 0,6 мм | 3,2 мм | 0,4 мм |
| 151-170 | 0,2 мм | 1,25 мм | 6,4 мм | 0,4 мм |
| 171-250 | 0,2 мм | 1,25 мм | 6,4 мм | 0,4 мм |
| 251-300 | 0,2 мм | 1,25 мм | 12,5 мм | 0,4 мм |
| 301-500 | 0,25 мм | 2,5 мм | 12,5 мм | 0,8 мм |
| Более 500 | 0,025 мм/вольт | 0,005 мм/вольт | 0,025 мм/вольт | 0,00305 мм/вольт |
Стол. 2 Минимальные значения зазоров для собранной платы, позволяющие пропускать напряжения определенного диапазона
| Напряжение между проводниками (Вольты) | Минимальный зазор для собранной платы | ||
|---|---|---|---|
| Внешние проводники с защитным покрытием поверх сборки (любая высота) | Ввод/окончание внешних проводников, без покрытия, до уровня моря 3050 м | Ввод/окончание внешних проводников с защитным покрытием (любая высота) | |
| 0-15 | 0,13 мм | 0,13 мм | 0,13 мм |
| 16-30 | 0,13 мм | 0,25 мм | 0,13 мм |
| 31-50 | 0,13 мм | 0,4 мм | 0,13 мм |
| 51-100 | 0,13 мм | 0,5 мм | 0,13 мм |
| 101-150 | 0,4 мм | 0,8 мм | 0,4 мм |
| 151-170 | 0,4 мм | 0,8 мм | 0,4 мм |
| 171-250 | 0,4 мм | 0,8 мм | 0,4 мм |
| 251-300 | 0,4 мм | 0,8 мм | 0,8 мм |
| 301-500 | 0,8 мм | 1,5 мм | 0,8 мм |
| Более 500 | 0,00305 мм/вольт | 0,00305 мм/вольт | 0,00305 мм/вольт |
Таблица предоставлена: IPC-2221.
Стандарты IPC-2221 по зазорам и утечкам
Зазор и путь утечки — это два параметра, которые связаны с расстоянием, необходимым между проводниками на печатной плате. Расстояние между двумя проводниками или узлами, измеренное в воздухе, называется зазором. IPC-2221 определяет оптимальные зазоры, относящиеся к различным аспектам печатной платы. Давайте посмотрим на некоторые важные из них, упомянутые в этом стандарте.
Стол. 3 Оптимальный зазор, необходимый для определенных функций
| Особенность | Распродажа |
|---|---|
| Выводы компонентов | 0,13 мм (до напряжения 50В) |
| Непокрытые проводящие участки (шайбы или аналогичные механические детали) | 0,75 мм |
| Площадки для испытательных зондов | 80 % высоты компонента (минимум 0,6 мм и максимум 5 мм) |
| Монтажное оборудование | Не должен выступать более чем на 6,4 мм ниже поверхности печатной платы. |
| Разгрузка PTH в радиаторе | На 2,5 мм больше отверстия (включая электрический зазор и допуск на несовмещение) |
Стол. 4 Значения зазора и перемычек маски IPC-2221 для паяльной маски
| Тип маски | Распродажа | Плотина |
|---|---|---|
| Жидкость для просеивания | 0,25 мм | 0,25 мм |
| Фотоизображаемая сухая пленка ≤0,0635 мм | 0,051 мм | 0,127 мм |
| Фотоизображаемая сухая пленка толщиной от 0,066 до 0,1 мм. | 0,051 мм | 0,25 мм |
| ЛПИ | 0,051 мм | 0,1 мм |
Чтобы узнать о распространенных ошибках паяльной маски и методах их предотвращения, ознакомьтесь с 6 распространенными ошибками паяльной маски, которые должен знать каждый разработчик печатных плат.
С другой стороны, под утечкой понимают расстояние между проводниками или узлами вдоль поверхности изолятора.
Согласно IPC-2221, пространство между проводниками всегда должно быть максимально увеличено. Расстояние между проводниками необходимо оптимизировать таким образом, чтобы было достаточно места для компенсации травления других физических элементов. Эта компенсация травления должна быть в два раза больше толщины протравленной меди. Помимо компенсации травления, следует также учитывать дефекты проводника и просачивание меди между PTH и соседними плоскими слоями.
Какой толщины должны быть следы печатной платы?
Для пропускания определенного количества тока дорожка печатной платы должна иметь соответствующую толщину. Если оно меньше требуемого, дорожка сгорит, пока по ней будет распространяться ток. Таким образом, толщина и ширина дорожек будут зависеть от характеристик сигнала, допустимой нагрузки по току и максимально допустимой температуры.
Это также определяется с помощью IPC-2141 и IPC-4562. Толщина дорожек также будет меняться в зависимости от конструктивных требований платы. Если сборка печатной платы предполагает последовательную ламинацию и глухие или заглубленные переходные отверстия, то решающее значение приобретает выбор толщины меди в слоях.
Для расчета ширины дорожки допустимого тока можно использовать следующую формулу:
Ширина [мил] = Площадь [мил2] / (Толщина [унция] x 1,378 [мил/унция])
Площадь поперечного сечения A рассчитывается по формуле:
А = ( I / [kx (ΔT0,44)](1/0,725)
Где I — максимальный ток в амперах, k — константа, ΔT — превышение температуры над окружающей средой в °C, а A — площадь поперечного сечения проводника в мил².
Для внутренних слоев
- к = 0,024
- Толщина проводника = толщине медной фольги базового ламината.
- Если используются глухие и подземные переходные отверстия, то толщина проводника также включает толщину медного покрытия.
Для внешних слоев
- к = 0,048
- Толщина проводника = толщина основной фольги и медного покрытия PTH, не включая толщину припоя, оловянно-свинцового покрытия или вторичных покрытий.
Рекомендации по испытанию сопротивления изоляции IPC-2221
Изоляция является основным требованием к печатной плате для защиты от коротких замыканий, перегрева и коррозии. Для изоляции печатной платы можно использовать множество материалов. Однако выбор материала зависит от применения доски.
IPC-2221 предлагает следующие испытания на сопротивление изоляции и отдельные тестовые купоны.
Испытания изоляции
- Испытание сопротивления изоляции. В этом испытании на печатную плату подается напряжение, вызывающее протекание тока. Этот ток измеряется для расчета поддающегося количественной оценке значения сопротивления всей изоляции изделия.
- Тестирование HiPot: этот вид теста используется для проверки того, достаточна ли предусмотренная изоляция для защиты печатной платы или нет. Для этого испытания на плату подается высокое напряжение и измеряется результирующий ток через изоляцию. Этот ток называется током утечки и измеряется с помощью тестера HiPot. Если высокое напряжение не разрушит изоляцию, то изоляция будет достаточно хорошей, чтобы защитить плату. Это испытание также известно как испытание на выдерживание диэлектрического напряжения (DWV) и обычно проводится после испытания на пробой диэлектрика.
Купоны на проверку сопротивления изоляции
- Купоны на сопротивление влажности и изоляции. Эти тестовые купоны помогают оценить сопротивление изоляции и объемное сопротивление печатной платы. Здесь плата проверяется, подвергая ее воздействию окружающей среды с различной влажностью и температурой и подавая на нее определенное напряжение.
- Электронный купон: С помощью этого купона проверяются влагостойкость и изоляционная стойкость ламинированных базовых материалов. Дизайн, содержащий максимум 10 слоев, можно протестировать с помощью электронного купона.
- Купон Legacy E: этот купон с Y-образным рисунком помогает оценить чистоту и сопротивление изоляции.
Купоны на сопротивление изоляции поверхности
Купоны для проверки сопротивления поверхностной изоляции включают следующее:
- Купон H: включает в себя измерение влияния процесса или остатков на сопротивление поверхностной изоляции.
- Устаревший купон H: для испытаний изоляции более высокого уровня требуется использование устаревшего купона H, например, для печатных плат, используемых в телекоммуникациях.
Чтобы узнать, как обращаться с черными подушечками в отделке поверхности ENIG, см. Как работать с черной подушечкой в отделке ENIG.
Стандарты на высоковольтные цепи
Зазоры, указанные в IPC-2221, требуют перепроверки, если речь идет о высоковольтных платах. Это связано с тем, что в высоковольтных конструкциях вероятность пробоя больше, чем в стандартной. Поэтому в случае высоковольтных печатных плат следует учитывать другие правила.
Выбор изоляционных материалов
Материалы, используемые для изоляции, играют важную роль в выдерживании высокого потенциала между двумя проводящими элементами. Лучший способ гарантировать хорошую изоляцию в высоковольтных цепях — это выбирать материалы со сравнительным индексом отслеживания (CTI), которые могут выдерживать высокое напряжение. CTI — это мера электрической изоляции материала путем воздействия на него высокого напряжения и мониторинга напряжения, при котором он разрушается.
Увеличение зазора и утечки
С увеличением напряжения очевидно, что зазор и путь утечки между дорожками и проводящими элементами на печатной плате должны быть увеличены. Но мы здесь работаем над печатными платами, а значит, есть предел, до которого можно увеличивать эти расстояния. В этом случае минимальных путей утечки и зазоров, определенных IPC-2221, будет недостаточно для предотвращения пробоя. Поэтому необходимо адаптировать различные методы для увеличения зазоров и путей утечки в высоковольтных конструкциях. Они включают:
- Создайте прорези, V-образные канавки или выемки с параллельными сторонами между проводящими элементами.
- Размещайте на плате большое количество компонентов SMT, те, которые требуют максимального зазора друг от друга, могут быть размещены на противоположных сторонах платы.
- Установите вертикальные изоляционные барьеры в помещении.
- Разместите высоковольтные цепи на верхней стороне платы, а низковольтные — на нижней, чтобы снизить вероятность перегорания или искрения.
IPC-2221 — это справочный документ, в котором изложен ряд стандартов проектирования при проектировании печатных плат. Соблюдение этих стандартов имеет решающее значение для реализации спецификаций DFM, DFA и DFT. Дайте нам знать в разделе комментариев, если вам нужна помощь, чтобы сделать вашу плату технологичной с первого раза. Наши специалисты по проектированию и производству будут рады вам помочь.