在電路板設計中應用 IPC-2221 標準

2021-07-23

在電路板設計中應用 IPC-2221 標準

IPC-2221 是電路板設計的通用標準。它規定了 PCB 設計和不同形式的元件安裝/互連結構的要求。因此，IPC-2221 成為建立電路板設計原則和建議的基礎。讓我們詳細了解這個特定標準及其施加的設計要求。

什么是IPC標準？

IPC 標準是為電子制造行業制定的，由名為 IPC 的行業協會發布。IPC成立時是印刷電路研究所的縮寫，后來改為電子電路互連與封裝研究所。雖然在 1999 年之后，它被宣布為 IPC，沒有任何具體的擴展。

IPC 標準為電子行業的設計、組裝、封裝、互連、材料、性能和檢驗規范奠定了基礎。全世界都遵循這些標準。

什么是 IPC-2221 標準？

IPC-2221 建立了印刷電路板設計、組件安裝和互連的通用標準。本標準屬于 IPC-2220 下的文件系列。根據 IPC，文檔集由一個以零結尾的四位數字標識。下面給出了 2220 系列的層次結構。

IPC-2220系列的層次結構

從上面的層級我們可以了解到，對于每一種類型的板子，都有具體的標準。例如，要設計剛性 PCB， IPC-2221 中提到的標準應與 IPC-2222 中列出的標準一起參考。同樣，這也適用于柔性、多芯片模塊 (MCM-L) 和高密度互連 (HDI)。因此，將 IPC-2221 建立的所有通用標準與特定于電路板類型的標準的詳細要求結合使用是很重要的。

PCB 設計人員應主要關注平衡所需的電氣、機械和熱性能。除此之外，還應監控電路板的可靠性、制造難度和成本。IPC-2221 側重于所有這些方面。

IPC-2221 標準涵蓋了大量與電路板設計相關的主題。在本文中，我們將重點介紹一些重要的問題，例如電氣間隙、爬電距離、絕緣要求和高壓設計要求。

什么是電路板設計中的間隙？

PCB設計中的間隙

在空氣中測量的兩個導體或節點之間的距離稱為間隙距離。IPC-2221 指的是與電路板不同方面相關的許多不同間隙。讓我們來看看這個標準中提到的幾個重要的。

特征	清除
元件引線	0.13mm（最高50V電壓）
未涂層的導電區域（墊圈或類似的機械硬件）	0.75mm
測試探針位點	組件高度的 80%（最小 0.6 毫米，最大 5 毫米）
安裝硬件	不應突出 PCB 表面下方 6.4 毫米以上
散熱器中的 PTH 釋放	比孔大 2.5mm（包括電氣間隙和錯位公差）

對于阻焊層，下面給出了 IPC-2221 掩模間隙和壩。

面罩類型	清除	壩
液體可篩分	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中的爬電距離是什么？

PCB設計中的爬電

爬電距離和電氣間隙是與電路板上導體之間所需距離相關的兩個參數。如上所述，間隙是指空氣中兩個導體或節點之間的距離。另一方面，爬電是指沿著絕緣體表面的導體或節點之間的距離。

根據 IPC-2221，導體之間的空間應始終盡可能最大化和優化。導體間距將以這樣一種方式分配，即有足夠的空間用于其他物理特征的蝕刻補償。這種蝕刻補償應該是蝕刻銅厚度的兩倍。除了蝕刻補償外，還應考慮導體缺陷以及 PTH 與相鄰平面層之間的銅芯吸。

走線應該多粗？

PCB走線厚度

為了承載特定量的電流，PCB 走線應具有適當的厚度。如果它小于所需的值，則當電流通過它時，跡線將燃燒。因此，走線的厚度和寬度將取決于信號特性、電流承載能力和最大允許溫度。這也是通過參考 IPC-2141 和 IPC-4562 來確定的。

走線的粗細也會根據板子的施工要求而變化。如果電路板結構涉及順序層壓、盲孔或埋孔，那么層上銅的厚度也將取決于這些參數。 

要計算允許電流的走線寬度，可以使用以下公式：

寬度[密耳] =區域[密耳小號2 ] /（厚度[盎司]×1.378 [密耳/盎司]）

橫截面積 A 的計算公式為：

A = ( I / [kx (Δ T 0.44 ) ] (1/0.725)

其中，I 是以安培為單位的最大電流，k 是一個常數，ΔT 是以°C 為單位高于環境的溫升，A 是以 mils2 為單位的走線橫截面積。

對于內部層，

k = 0.024

導體厚度=基板的銅箔厚度。

如果實施盲孔和埋孔，則導體厚度 = 包括鍍銅的銅箔厚度。

對于外層，

k = 0.048

導體厚度=基箔和PTH鍍銅的厚度，不包括焊料涂層、錫鉛鍍層或二次鍍層的厚度。

IPC-2221 絕緣電阻測試建議

絕緣是 PCB 中的一項基本要求，用于防止因意外接觸、導電引起的過熱以及腐蝕或其他環境損害而導致導體之間短路。許多材料可用于使電路板絕緣。然而，材料的選擇取決于電路板的應用。

IPC-2221 建議了一些絕緣電阻測試和單獨的測試試樣如下。

絕緣測試

絕緣電阻測試：在此測試中，在 PCB 上施加電壓以產生電流。測量該電流以計算整個產品絕緣的可量化電阻值。

HiPot 測試：此測試用于檢查提供的絕緣是否足以保護電路板。對于該測試，將高壓施加到 PCB 并測量由此產生的流經絕緣層的電流。該電流稱為漏電流，可使用 HiPot 測試儀進行測量。如果高壓沒有擊穿絕緣層，那么絕緣層就足以保護電路板了。此測試也稱為介電耐受電壓 (DWV) 測試，通常在進行介電擊穿測試后進行。

絕緣電阻測試樣片

水分和絕緣電阻試樣：這些測試試樣有助于評估電路板的絕緣電阻和體電阻。一旦電路板暴露在不同的濕度和溫度環境中并施加特定電壓，就會執行此評估。

E-coupon : 使用該試樣評估層壓基材的耐濕性和絕緣電阻?？梢允褂么嗽嚇訙y試最多 10 層的設計。

Legacy E 試樣：該試樣具有 Y 圖案，有助于評估清潔度和絕緣電阻特性。

表面絕緣電阻試片

表面絕緣電阻測試樣片包括以下內容：

H試樣：該試樣用于測量工藝或殘留物對表面絕緣電阻的影響。

傳統 H 掛片：更高級別的絕緣測試需要使用傳統 H 掛片。例如用于電信的 PCB。

高壓電路

IPC-2221 中提到的間隙對于普通 PCB 來說是正確的，但是當涉及到高壓電路板時，應該重新檢查這些值。當在導體上施加高電壓時，與正常工作電壓下相比，發生閃絡的可能性更大。因此，在高壓設計的情況下，應考慮不同的標準。有一些高壓設計工具可用于評估特定電壓的間隙值。

保溫材料的選擇

用于絕緣的材料在承受兩個導電特征之間的高電位方面發揮著重要作用。保證高壓電路良好絕緣的最佳方法是選擇具有可承受高壓的比較電痕指數 (CTI) 等級的材料。CTI 是通過將材料置于更高電壓下并監測其擊穿電壓來衡量材料電絕緣性的指標。

增加間隙和爬電距離

隨著電壓的增加，很明顯PCB上的走線和導電特征之間的間隙和爬電距離應該增加。但是我們在這里處理電路板，因此這些距離可以增加到一個限制。在這種情況下，IPC-2221 定義的最小爬電距離和電氣間隙不足以防止閃絡。因此，應采用不同的方法來增加電氣間隙和爬電距離。

增加高壓電路爬電距離的技巧和竅門

在導電特征之間創建槽、V 形槽或平行邊的凹口會增加爬電距離。

板上大量使用SMT元件，因此需要彼此最大間隙的元件可以放置在板的相對側。

在空間中安裝垂直絕緣體屏障會增加電氣間隙和爬電距離。

保持高低壓節點彼此靠近會增加閃絡或電弧的機會。將高壓電路放在電路板的頂部，將低壓電路放在底部，在一定程度上解決了這個問題。

IPC-2221 是一份參考文件，在設計 PCB 時制定了許多標準。該文件在過去幾年中進行了多次修訂。這些修訂后的文件以及所設計的電路板類型的特定標準將有助于準確確定所有設計方面。