在電(diàn)路板设计中应用(yòng) IPC-2221 标准

2021-07-23

在電(diàn)路板设计中应用(yòng) IPC-2221 标准

IPC-2221 是電(diàn)路板设计的通用(yòng)标准。它规定了 PCB 设计和不同形式的元件安装/互连结构的要求。因此，IPC-2221 成為(wèi)建立電(diàn)路板设计原则和建议的基础。让我们详细了解这个特定标准及其施加的设计要求。

什么是IPC标准？

IPC 标准是為(wèi)電(diàn)子制造行业制定的，由名為(wèi) IPC 的行业协会发布。IPC成立时是印刷電(diàn)路研究所的缩写，后来改為(wèi)電(diàn)子電(diàn)路互连与封装研究所。虽然在 1999 年之后，它被宣布為(wèi) IPC，没有(yǒu)任何具體(tǐ)的扩展。

IPC 标准為(wèi)電(diàn)子行业的设计、组装、封装、互连、材料、性能(néng)和检验规范奠定了基础。全世界都遵循这些标准。

什么是 IPC-2221 标准？

IPC-2221 建立了印刷電(diàn)路板设计、组件安装和互连的通用(yòng)标准。本标准属于 IPC-2220 下的文(wén)件系列。根据 IPC，文(wén)档集由一个以零结尾的四位数字标识。下面给出了 2220 系列的层次结构。

IPC-2220系列的层次结构

从上面的层级我们可(kě)以了解到，对于每一种类型的板子，都有(yǒu)具體(tǐ)的标准。例如，要设计刚性 PCB， IPC-2221 中提到的标准应与 IPC-2222 中列出的标准一起参考。同样，这也适用(yòng)于柔性、多(duō)芯片模块 (MCM-L) 和高密度互连 (HDI)。因此，将 IPC-2221 建立的所有(yǒu)通用(yòng)标准与特定于電(diàn)路板类型的标准的详细要求结合使用(yòng)是很(hěn)重要的。

PCB 设计人员应主要关注平衡所需的電(diàn)气、机械和热性能(néng)。除此之外，还应监控電(diàn)路板的可(kě)靠性、制造难度和成本。IPC-2221 侧重于所有(yǒu)这些方面。

IPC-2221 标准涵盖了大量与電(diàn)路板设计相关的主题。在本文(wén)中，我们将重点介绍一些重要的问题，例如電(diàn)气间隙、爬電(diàn)距离、绝缘要求和高压设计要求。

什么是電(diàn)路板设计中的间隙？

PCB设计中的间隙

在空气中测量的两个导體(tǐ)或节点之间的距离称為(wèi)间隙距离。IPC-2221 指的是与電(diàn)路板不同方面相关的许多(duō)不同间隙。让我们来看看这个标准中提到的几个重要的。

特征	清除
元件引線(xiàn)	0.13mm（最高50V電(diàn)压）
未涂层的导電(diàn)區(qū)域（垫圈或类似的机械硬件）	0.75mm
测试探针位点	组件高度的 80%（最小(xiǎo) 0.6 毫米，最大 5 毫米）
安装硬件	不应突出 PCB 表面下方 6.4 毫米以上
散热器中的 PTH 释放	比孔大 2.5mm（包括電(diàn)气间隙和错位公差）

对于阻焊层，下面给出了 IPC-2221 掩模间隙和坝。

面罩类型	清除	坝
液體(tǐ)可(kě)筛分(fēn)	0.25mm	0.25mm
感光干膜≤0.0635mm	0.051mm	0.127mm
感光干膜 0.066 至 0.1mm	0.051mm	0.25mm
LPI	0.051mm	0.1mm

PCB中的爬電(diàn)距离是什么？

PCB设计中的爬電(diàn)

爬電(diàn)距离和電(diàn)气间隙是与電(diàn)路板上导體(tǐ)之间所需距离相关的两个参数。如上所述，间隙是指空气中两个导體(tǐ)或节点之间的距离。另一方面，爬電(diàn)是指沿着绝缘體(tǐ)表面的导體(tǐ)或节点之间的距离。

根据 IPC-2221，导體(tǐ)之间的空间应始终尽可(kě)能(néng)最大化和优化。导體(tǐ)间距将以这样一种方式分(fēn)配，即有(yǒu)足够的空间用(yòng)于其他(tā)物(wù)理(lǐ)特征的蚀刻补偿。这种蚀刻补偿应该是蚀刻铜厚度的两倍。除了蚀刻补偿外，还应考虑导體(tǐ)缺陷以及 PTH 与相邻平面层之间的铜芯吸。

走線(xiàn)应该多(duō)粗？

PCB走線(xiàn)厚度

為(wèi)了承载特定量的電(diàn)流，PCB 走線(xiàn)应具有(yǒu)适当的厚度。如果它小(xiǎo)于所需的值，则当電(diàn)流通过它时，迹線(xiàn)将燃烧。因此，走線(xiàn)的厚度和宽度将取决于信号特性、電(diàn)流承载能(néng)力和最大允许温度。这也是通过参考 IPC-2141 和 IPC-4562 来确定的。

走線(xiàn)的粗细也会根据板子的施工要求而变化。如果電(diàn)路板结构涉及顺序层压、盲孔或埋孔，那么层上铜的厚度也将取决于这些参数。 

要计算允许電(diàn)流的走線(xiàn)宽度，可(kě)以使用(yòng)以下公式：

宽度[密耳] =區(qū)域[密耳小(xiǎo)号2 ] /（厚度[盎司]×1.378 [密耳/盎司]）

横截面积 A 的计算公式為(wèi)：

A = ( I / [kx (Δ T 0.44 ) ] (1/0.725)

其中，I 是以安培為(wèi)单位的最大電(diàn)流，k 是一个常数，ΔT 是以°C 為(wèi)单位高于环境的温升，A 是以 mils² 為(wèi)单位的走線(xiàn)横截面积。

对于内部层，

k = 0.024

导體(tǐ)厚度=基板的铜箔厚度。

如果实施盲孔和埋孔，则导體(tǐ)厚度 = 包括镀铜的铜箔厚度。

对于外层，

k = 0.048

导體(tǐ)厚度=基箔和PTH镀铜的厚度，不包括焊料涂层、锡铅镀层或二次镀层的厚度。

IPC-2221 绝缘電(diàn)阻测试建议

绝缘是 PCB 中的一项基本要求，用(yòng)于防止因意外接触、导電(diàn)引起的过热以及腐蚀或其他(tā)环境损害而导致导體(tǐ)之间短路。许多(duō)材料可(kě)用(yòng)于使電(diàn)路板绝缘。然而，材料的选择取决于電(diàn)路板的应用(yòng)。

IPC-2221 建议了一些绝缘電(diàn)阻测试和单独的测试试样如下。

绝缘测试

绝缘電(diàn)阻测试：在此测试中，在 PCB 上施加電(diàn)压以产生電(diàn)流。测量该電(diàn)流以计算整个产品绝缘的可(kě)量化電(diàn)阻值。

HiPot 测试：此测试用(yòng)于检查提供的绝缘是否足以保护電(diàn)路板。对于该测试，将高压施加到 PCB 并测量由此产生的流经绝缘层的電(diàn)流。该電(diàn)流称為(wèi)漏電(diàn)流，可(kě)使用(yòng) HiPot 测试仪进行测量。如果高压没有(yǒu)击穿绝缘层，那么绝缘层就足以保护電(diàn)路板了。此测试也称為(wèi)介電(diàn)耐受電(diàn)压 (DWV) 测试，通常在进行介電(diàn)击穿测试后进行。

绝缘電(diàn)阻测试样片

水分(fēn)和绝缘電(diàn)阻试样：这些测试试样有(yǒu)助于评估電(diàn)路板的绝缘電(diàn)阻和體(tǐ)電(diàn)阻。一旦電(diàn)路板暴露在不同的湿度和温度环境中并施加特定電(diàn)压，就会执行此评估。

E-coupon : 使用(yòng)该试样评估层压基材的耐湿性和绝缘電(diàn)阻。可(kě)以使用(yòng)此试样测试最多(duō) 10 层的设计。

Legacy E 试样：该试样具有(yǒu) Y 图案，有(yǒu)助于评估清洁度和绝缘電(diàn)阻特性。

表面绝缘電(diàn)阻试片

表面绝缘電(diàn)阻测试样片包括以下内容：

H试样：该试样用(yòng)于测量工艺或残留物(wù)对表面绝缘電(diàn)阻的影响。

传统 H 挂片：更高级别的绝缘测试需要使用(yòng)传统 H 挂片。例如用(yòng)于電(diàn)信的 PCB。

高压電(diàn)路

IPC-2221 中提到的间隙对于普通 PCB 来说是正确的，但是当涉及到高压電(diàn)路板时，应该重新(xīn)检查这些值。当在导體(tǐ)上施加高電(diàn)压时，与正常工作電(diàn)压下相比，发生闪络的可(kě)能(néng)性更大。因此，在高压设计的情况下，应考虑不同的标准。有(yǒu)一些高压设计工具可(kě)用(yòng)于评估特定電(diàn)压的间隙值。

保温材料的选择

用(yòng)于绝缘的材料在承受两个导電(diàn)特征之间的高電(diàn)位方面发挥着重要作用(yòng)。保证高压電(diàn)路良好绝缘的最佳方法是选择具有(yǒu)可(kě)承受高压的比较電(diàn)痕指数 (CTI) 等级的材料。CTI 是通过将材料置于更高電(diàn)压下并监测其击穿電(diàn)压来衡量材料電(diàn)绝缘性的指标。

增加间隙和爬電(diàn)距离

随着電(diàn)压的增加，很(hěn)明显PCB上的走線(xiàn)和导電(diàn)特征之间的间隙和爬電(diàn)距离应该增加。但是我们在这里处理(lǐ)電(diàn)路板，因此这些距离可(kě)以增加到一个限制。在这种情况下，IPC-2221 定义的最小(xiǎo)爬電(diàn)距离和電(diàn)气间隙不足以防止闪络。因此，应采用(yòng)不同的方法来增加電(diàn)气间隙和爬電(diàn)距离。

增加高压電(diàn)路爬電(diàn)距离的技巧和窍门

在导電(diàn)特征之间创建槽、V 形槽或平行边的凹口会增加爬電(diàn)距离。

板上大量使用(yòng)SMT元件，因此需要彼此最大间隙的元件可(kě)以放置在板的相对侧。

在空间中安装垂直绝缘體(tǐ)屏障会增加電(diàn)气间隙和爬電(diàn)距离。

保持高低压节点彼此靠近会增加闪络或電(diàn)弧的机会。将高压電(diàn)路放在電(diàn)路板的顶部，将低压電(diàn)路放在底部，在一定程度上解决了这个问题。

IPC-2221 是一份参考文(wén)件，在设计 PCB 时制定了许多(duō)标准。该文(wén)件在过去几年中进行了多(duō)次修订。这些修订后的文(wén)件以及所设计的電(diàn)路板类型的特定标准将有(yǒu)助于准确确定所有(yǒu)设计方面。