在电路板设计中应用 IPC-2221 标准

2021-07-23

在电路板设计中应用 IPC-2221 标准

IPC-2221 是电路板设计的通用标准。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 成为建立电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 标准是为电子制造行业制定的，由名为 IPC 的行业协会发布。IPC成立时是印刷电路研究所的缩写，后来改为电子电路互连与封装研究所。虽然在 1999 年之后，它被宣布为 IPC，没有任何具体的扩展。

IPC 标准为电子行业的设计、组装、封装、互连、材料、性能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 建立了印刷电路板设计、组件安装和互连的通用标准。本标准属于 IPC-2220 下的文件系列。根据 IPC，文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以了解到，对于每一种类型的板子，都有具体的标准。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，这也适用于柔性、多芯片模块 (MCM-L) 和高密度互连 (HDI)。因此，将 IPC-2221 建立的所有通用标准与特定于电路板类型的标准的详细要求结合使用是很重要的。

PCB 设计人员应主要关注平衡所需的电气、机械和热性能。除此之外，还应监控电路板的可靠性、制造难度和成本。IPC-2221 侧重于所有这些方面。

IPC-2221 标准涵盖了大量与电路板设计相关的主题。在本文中，我们将重点介绍一些重要的问题，例如电气间隙、爬电距离、绝缘要求和高压设计要求。

什么是电路板设计中的间隙？

PCB设计中的间隙

在空气中测量的两个导体或节点之间的距离称为间隙距离。IPC-2221 指的是与电路板不同方面相关的许多不同间隙。让我们来看看这个标准中提到的几个重要的。

特征	清除
元件引线	0.13mm（最高50V电压）
未涂层的导电区域（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 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（包括电气间隙和错位公差）

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
液体可筛分	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中的爬电距离是什么？

PCB设计中的爬电

爬电距离和电气间隙是与电路板上导体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体或节点之间的距离。另一方面，爬电是指沿着绝缘体表面的导体或节点之间的距离。

根据 IPC-2221，导体之间的空间应始终尽可能最大化和优化。导体间距将以这样一种方式分配，即有足够的空间用于其他物理特征的蚀刻补偿。这种蚀刻补偿应该是蚀刻铜厚度的两倍。除了蚀刻补偿外，还应考虑导体缺陷以及 PTH 与相邻平面层之间的铜芯吸。

走线应该多粗？

PCB走线厚度

为了承载特定量的电流，PCB 走线应具有适当的厚度。如果它小于所需的值，则当电流通过它时，迹线将燃烧。因此，走线的厚度和宽度将取决于信号特性、电流承载能力和最大允许温度。这也是通过参考 IPC-2141 和 IPC-4562 来确定的。

走线的粗细也会根据板子的施工要求而变化。如果电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。 

要计算允许电流的走线宽度，可以使用以下公式：

宽度[密耳] =区域[密耳小号2 ] /（厚度[盎司]×1.378 [密耳/盎司]）

横截面积 A 的计算公式为：

A = ( I / [kx (Δ T 0.44 ) ] (1/0.725)

其中，I 是以安培为单位的最大电流，k 是一个常数，ΔT 是以°C 为单位高于环境的温升，A 是以 mils² 为单位的走线横截面积。

对于内部层，

k = 0.024

导体厚度=基板的铜箔厚度。

如果实施盲孔和埋孔，则导体厚度 = 包括镀铜的铜箔厚度。

对于外层，

k = 0.048

导体厚度=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 绝缘电阻测试建议

绝缘是 PCB 中的一项基本要求，用于防止因意外接触、导电引起的过热以及腐蚀或其他环境损害而导致导体之间短路。许多材料可用于使电路板绝缘。然而，材料的选择取决于电路板的应用。

IPC-2221 建议了一些绝缘电阻测试和单独的测试试样如下。

绝缘测试

绝缘电阻测试：在此测试中，在 PCB 上施加电压以产生电流。测量该电流以计算整个产品绝缘的可量化电阻值。

HiPot 测试：此测试用于检查提供的绝缘是否足以保护电路板。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电流。该电流称为漏电流，可使用 HiPot 测试仪进行测量。如果高压没有击穿绝缘层，那么绝缘层就足以保护电路板了。此测试也称为介电耐受电压 (DWV) 测试，通常在进行介电击穿测试后进行。

绝缘电阻测试样片

水分和绝缘电阻试样：这些测试试样有助于评估电路板的绝缘电阻和体电阻。一旦电路板暴露在不同的湿度和温度环境中并施加特定电压，就会执行此评估。

E-coupon : 使用该试样评估层压基材的耐湿性和绝缘电阻。可以使用此试样测试最多 10 层的设计。

Legacy E 试样：该试样具有 Y 图案，有助于评估清洁度和绝缘电阻特性。

表面绝缘电阻试片

表面绝缘电阻测试样片包括以下内容：

H试样：该试样用于测量工艺或残留物对表面绝缘电阻的影响。

传统 H 挂片：更高级别的绝缘测试需要使用传统 H 挂片。例如用于电信的 PCB。

高压电路

IPC-2221 中提到的间隙对于普通 PCB 来说是正确的，但是当涉及到高压电路板时，应该重新检查这些值。当在导体上施加高电压时，与正常工作电压下相比，发生闪络的可能性更大。因此，在高压设计的情况下，应考虑不同的标准。有一些高压设计工具可用于评估特定电压的间隙值。

保温材料的选择

用于绝缘的材料在承受两个导电特征之间的高电位方面发挥着重要作用。保证高压电路良好绝缘的最佳方法是选择具有可承受高压的比较电痕指数 (CTI) 等级的材料。CTI 是通过将材料置于更高电压下并监测其击穿电压来衡量材料电绝缘性的指标。

增加间隙和爬电距离

随着电压的增加，很明显PCB上的走线和导电特征之间的间隙和爬电距离应该增加。但是我们在这里处理电路板，因此这些距离可以增加到一个限制。在这种情况下，IPC-2221 定义的最小爬电距离和电气间隙不足以防止闪络。因此，应采用不同的方法来增加电气间隙和爬电距离。

增加高压电路爬电距离的技巧和窍门

在导电特征之间创建槽、V 形槽或平行边的凹口会增加爬电距离。

板上大量使用SMT元件，因此需要彼此最大间隙的元件可以放置在板的相对侧。

在空间中安装垂直绝缘体屏障会增加电气间隙和爬电距离。

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

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