Warum der Abstand zwischen den inneren Leiterplattenschichten wichtig ist

Beim Design von Leiterplatten (PCB) bezieht sich der Innenschichtabstand auf den Abstand zwischen benachbarten Kupferschichten innerhalb der Platine. Dieser Abstand spielt eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der ordnungsgemäßen Signalintegrität, der elektrischen Leistung und der Zuverlässigkeit des Schaltkreises. In diesem Artikel werden wir die Bedeutung des Innenschichtabstands beim PCB-Design untersuchen und seine Auswirkungen auf die Gesamtfunktionalität der Schaltung diskutieren.

Die Bedeutung des Abstands der inneren Leiterplattenschicht

Der Innenschichtabstand einer Leiterplatte, auch Abstand oder Spalt genannt, ist der Abstand zwischen Leiterbahnen oder Merkmalen auf den Innenschichten einer Leiterplatte. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung des zuverlässigen und effizienten Betriebs der Leiterplatte. Hier sind einige Gründe, warum der Abstand zwischen den inneren Leiterplattenschichten wichtig ist.

Elektrische Isolation

Der Innenschichtabstand gewährleistet eine ordnungsgemäße elektrische Isolierung zwischen benachbarten Leiterbahnen, Pads und Kupferelementen auf der Leiterplatte. Es hilft, elektrische Kurzschlüsse und unbeabsichtigte Verbindungen zu verhindern, die zu Fehlfunktionen oder Schäden am Stromkreis führen können.

Signalintegrität

Die Aufrechterhaltung eines angemessenen Abstands zwischen den Signalspuren auf den inneren Schichten ist für die Wahrung der Signalintegrität von entscheidender Bedeutung. Durch die Bereitstellung ausreichender Abstände werden Übersprechen und elektromagnetische Interferenzen (EMI) zwischen benachbarten Leiterbahnen minimiert, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Signalverschlechterung verringert und eine genaue Datenübertragung gewährleistet wird.

Überlegungen zur Spannung

Bei Hochspannungsanwendungen ist der Innenschichtabstand besonders wichtig. Um den Innenschichtabstand einer Leiterplatte zu bestimmen, muss der Hersteller zunächst die Hoch- und Arbeitsspannungen für die Leiterplatte kennen. Die Arbeitsspannung der Leiterplatte und die entsprechenden Hochspannungen können stark variieren, sodass der optimale Innenschichtabstand für verschiedene Spannungen und Leiterplatten unterschiedlich sein kann. Der IPC-2221-Standard definiert die Regeln für Abstände zwischen Leiterplatteninnenschichten. Diese Norm deckt die wichtigsten Details des PCB-Designs ab, einschließlich elektrischer Abstände, Platinenform und Montagelöcher. Diese Parameter bestimmen die mechanische Unterstützung und Platzierung der Komponenten.

Wärmeableitung

Der Abstand zwischen den Innenschichten kann auch die thermische Leistung der Leiterplatte beeinflussen. Ein ausreichender Abstand zwischen den Kupferelementen ermöglicht eine effiziente Wärmeableitung und verhindert so einen Wärmestau und mögliche Schäden an den Komponenten oder den umgebenden Schaltkreisen.

Design-Flexibilität

Durch die Aufrechterhaltung eines angemessenen Innenschichtabstands haben PCB-Designer mehr Flexibilität beim Verlegen von Leiterbahnen und beim Platzieren von Komponenten auf der Platine. Ausreichende Abstände bieten Raum für Designänderungen, Komponenten-Upgrades und zukünftige Erweiterungen und erhöhen so die Gesamtflexibilität des PCB-Designs.

Abstandsdesignregeln in PCB

Standards für Kriech- und Luftstrecken für Leiterplatten

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, aus eigener Erfahrung mehr über die Bedeutung von Kriech- und Luftstrecken zu erfahren, gibt es ein paar Standards, die uns helfen können. Die Normen IEC 60601 und IPC 2221 sind besonders hilfreich bei der Bestimmung des geeigneten Abstands zwischen Leitern basierend auf unterschiedlichen Spannungsniveaus und Situationen. Diese Standards enthalten spezifische Richtlinien, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit elektronischer Designs zu gewährleisten.

Mehrere Dokumente befassen sich mit den Kriech- und Luftstreckennormen für Leiterplatten, wobei das wichtigste Dokument IPC-2221 ist. Diese Norm bietet allgemeine Richtlinien für verschiedene Designregeln, einschließlich der erforderlichen Abstände für Hochspannungsstromkreise. Die Abstandsgrenzen werden anhand von Faktoren wie der Spannungsart (Gleichstrom oder Wechselstrom), den Schichten innerhalb der Leiterplatte, ob die äußeren Schichten beschichtet oder unbeschichtet sind und den für das Substrat verwendeten Materialien bestimmt. Zusätzlich zu IPC-2221 finden Sie weitere Informationen in diesen Standards:

• IPC-9592: Dieser Standard ist spezifischer als IPC-2221, da er Abstandsanforderungen für Stromumwandlungsgeräte definiert, die mit mehr als 100 Volt betrieben werden.

• UL-61010-1: Diese Normen legen die Anforderungen an die Sicherheit bei der Gestaltung elektrischer Prüf- und Laborgeräte sowie anderer Industriegeräte fest.

• UL-60950-1: Dieser Standard gilt für Hoch- und Niederspannungsanwendungen in einem breiten Spektrum von Geräten.

Niederspannung vs. Hochspannung

Beim Entwurf von Hochspannungs-/Hochstromschaltkreisen und Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen müssen Sicherheitsanforderungen eingehalten und die Signalintegrität sichergestellt werden. Zwei wichtige Designaspekte, die in beiden Bereichen von entscheidender Bedeutung sind, sind die Werte für den PCB-Leiterbahnabstand und den Pad-Abstand. Diese Designentscheidungen spielen eine entscheidende Rolle beim Erreichen eines Gleichgewichts zwischen Sicherheit, Geräuschunterdrückung und einfacher Herstellung. Durch sorgfältiges Erwägen und Implementieren geeigneter Abstandswerte können Entwickler den zuverlässigen und effizienten Betrieb ihrer Schaltkreise sicherstellen und gleichzeitig die erforderlichen Sicherheitsstandards einhalten und Signalstörungen minimieren.

Niederspannung (<15 V)

Gemäß den Spannungs- und Abstandsstandards IPC 2221 beträgt der Mindestabstand zwischen Leiterplatten (eigentlich der Abstand zwischen zwei beliebigen Leitern) 0.1 mm für Allzweckgeräte oder 4 mil. Bei Leistungsumwandlungsgeräten beträgt dieser minimale PCB-Leiterbahnabstand 0.13 mm oder 5.1 mil. Diese Platinen können kaum als „Hochspannung“ betrachtet werden und die Leiterabstände auf diesen Platinen grenzen an das HDI-Regime.

Bei diesen Spannungen arbeiten Sie möglicherweise mit digitalen Signalen, niederfrequenten analogen Signalen oder einfach mit Gleichstrom bei mäßigem Strom. Bei digitalen Signalen besteht die typische Regel darin, einfach der „3W“-Regel zu folgen, bei der der Abstand zwischen den Leiterbahnen das Dreifache der Breite der Leiterbahn beträgt. Für einen typischen 50-Ohm-Mikrostreifen mit kontrollierter Impedanz beträgt die Leiterbahnbreite etwa 20 Mil, der empfohlene PCB-Leiterbahnabstand beträgt daher 60 Mil. Mit diesen Traces erfüllen Sie immer noch die IPC 2221-Anforderungen und Ihr Hauptaugenmerk sollte auf effizientem Routing und DFM liegen. Selbst im HDI-Bereich, wo Sie möglicherweise zwischen Fine-Pitch-Pads in einem BGA verlegen müssen, müssen Sie sich über diese Spannungsanforderungen keine Gedanken machen, da Sie im Allgemeinen mit 3.3 V oder ~1 V arbeiten.

Hochspannung (>15 V)

Bei hoher Gleichspannung besteht das Hauptanliegen bei der Auswahl eines PCB-Leiterbahnabstandswerts darin, ESD und Dendritenwachstum zwischen freiliegenden Leitern zu verhindern. Bei hoher Wechselspannung oder einem Schaltregler, der einen hohen Strom ausgibt, müssen Sie sich nun um Übersprechen sowie ESD und Dendritenwachstum kümmern. In den Richtlinien zur Unterdrückung von Übersprechen wird der erforderliche Spannungsabstand zwischen den Leitern immer noch überbewertet, bis sehr hohe Spannungen erreicht werden.

Um zu sehen, wie Sie möglicherweise ein Gleichgewicht zwischen IPC 2221 und der Unterdrückung von Übersprechen finden müssen, betrachten Sie die folgende hypothetische Situation. Angenommen, Sie haben einen Mikrostreifen mit kontrollierter Impedanz (20 mil breit) in der Nähe einer Hochspannungs-Wechselstromleitung oder in der Nähe von Leiterbahnen, die in einen Hochstrom-Gleichstromregler hinein- bzw. aus diesem herausführen. Wenn Sie die „3W“-Regel befolgen, sollte der Abstand zwischen parallelen Mikrostreifen und der nahegelegenen Hochspannungsleitung 1.5 mm oder etwa 60 mil betragen. Dies ist mehr als ausreichend, um IPC 2221 zu erfüllen, bis der Hochspannungspegel 180 V für Leistungsumwandlungsgeräte oder 340 V für andere Hochspannungsprodukte erreicht.

Bei Hochspannung geht es weniger um die digitale Flankenrate als vielmehr um die Frequenz einer Hochspannungs-Wechselstromleitung. Jedes oszillierende Signal kann in einer nahegelegenen Leiterbahn ein Übersprechsignal induzieren, wenn die Leiterbahnen nahe beieinander liegen. Dies ist ein bekanntes Rauschproblem bei Hochspannungs-Gleichstromreglern und ihren nachgeschalteten Signalleitungen. Bei hohem Ausgangsstrom kann ein solches Übersprechen zu unbeabsichtigtem Schalten in Hochgeschwindigkeits-Digitalkomponenten führen. Entscheiden Sie sich am besten für einen größeren Abstand zwischen einer Hochspannungs-Wechselstromleitung und nahegelegenen Gleichstrom- oder Digitalleitungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Abstand zwischen den inneren Leiterplattenschichten für die Aufrechterhaltung der elektrischen Isolierung, der Signalintegrität, der Spannungssicherheit, der Herstellbarkeit, der Wärmeableitung und der Designflexibilität von entscheidender Bedeutung ist. Durch die Berücksichtigung dieser Faktoren und die Einhaltung geeigneter Abstandsrichtlinien können Leiterplattenentwickler zuverlässige und leistungsstarke Leiterplatten entwickeln, die für ein breites Anwendungsspektrum geeignet sind.