فاصله خزشی و فاصله هوایی چیست؟
فاصله خزشی (Creepage) کوتاهترین مسیر بین دو هادی است که روی سطح ماده عایق اندازه گرفته میشود؛ فاصله هوایی (Clearance) کوتاهترین فاصله بین همان دو هادی از راه هواست، یعنی خط راست. فاصله هوایی جلوی قوسزدن (Arcing) را میگیرد و فاصله خزشی جلوی ترکینگ (Tracking)؛ یعنی ساختهشدن تدریجی یک مسیر رسانا روی سطح آلوده یا نمدار برد. در محیطهای کثیف و مرطوب، تقریباً همیشه فاصله خزشی عدد بزرگتر و تعیینکننده است، چون مسیر سطحی از مسیر هوایی بلندتر میشود.
در بردهای ولتاژ بالا، منبع اصلی اعداد، بخش ۶ استاندارد IPC-2221 و جدول ۶-۱ آن است؛ اما آلودگی محیط (Pollution Degree)، شاخص CTI جنس لامینیت و ارتفاع محل کار هم روی فاصلههای لازم اثر میگذارند. در ادامه جدول اعداد، اثر هر کدام از این عوامل و روشهای عملی افزایش فاصله خزشی با شیار و برش را میبینید.
اگر دنبال حداقل فاصله ترکبهترک در بردهای معمولی هستید، این مقاله جای آن نیست؛ ابتدا قواعد DFM پیش از Routing را بخوانید. این نوشته مخصوص جاهایی است که اختلاف پتانسیل بین هادیها بالا میرود: منابع تغذیه سوئیچینگ، درایور موتور، مبدلهای AC/DC، اینورتر و بخشهای ایزوله برد.
دو مکانیزم خرابی، دو معیار فاصله
قوسزدن و ترکینگ رفتار کاملاً متفاوتی دارند و به همین دلیل دو معیار جدا لازم است:
- قوس (Clearance Failure): وقتی میدان الکتریکی از استحکام دیالکتریک هوا رد شود (در سطح دریا حدود ۳ کیلوولت بر میلیمتر)، جرقه آنی میزند. خرابی ناگهانی و پرسروصداست: جرقه دیده میشود، ترک میسوزد، قطعه آسیب میبیند.
- ترکینگ (Creepage Failure): غبار، باقیمانده فلاکس و رطوبت روی سطح برد لایهای نازک و رسانا میسازند. جریان نشتی از این لایه عبور میکند، سطح عایق را کمکم میخورد و در نهایت یک مسیر کربنی دائمی بین دو هادی شکل میگیرد. این خرابی هفتهها تا سالها طول میکشد و معمولاً اول خودش را با نشتی متناوب نشان میدهد و بعد به اتصال کوتاه سخت میرسد.
نکته کلیدی طراحی اینجاست: شیار و برش روی فاصله هوایی هیچ اثری ندارد (خط مستقیم هوا سر جایش است) ولی فاصله خزشی را زیاد میکند، چون مسیر سطحی مجبور است دور تا دور برش برود.
جدول IPC-2221: حداقل فاصله بر حسب ولتاژ
جدول ۶-۱ استاندارد IPC-2221 حداقل فاصله هادیها را بر حسب ولتاژ پیک، محل هادی (داخلی یا خارجی) و پوششدار بودن آنها مشخص میکند. خلاصهای از مقادیر اصلی برای کار در ارتفاع کمتر از ۳۰۵۰ متر:
| ولتاژ پیک (V) | داخلی (B1) | خارجی بدون پوشش (B2) | خارجی با پوشش پلیمری (B4) | با کانفورمال کویتینگ (A5) | پایه قطعات (A6) |
|---|---|---|---|---|---|
| ۰–۱۵ | ۰٫۰۵ mm | ۰٫۱ mm | ۰٫۰۵ mm | ۰٫۰۵ mm | ۰٫۱۳ mm |
| ۱۶–۳۰ | ۰٫۰۵ mm | ۰٫۱ mm | ۰٫۰۵ mm | ۰٫۰۵ mm | ۰٫۱۳ mm |
| ۳۱–۵۰ | ۰٫۱ mm | ۰٫۶ mm | ۰٫۱۳ mm | ۰٫۱۳ mm | ۰٫۶ mm |
| ۵۱–۱۰۰ | ۰٫۱ mm | ۰٫۶ mm | ۰٫۱۳ mm | ۰٫۱۳ mm | ۰٫۶ mm |
| ۱۰۱–۱۵۰ | ۰٫۲ mm | ۰٫۶ mm | ۰٫۴ mm | ۰٫۴ mm | ۱٫۲۵ mm |
| ۱۵۱–۳۰۰ | ۰٫۲ mm | ۱٫۲۵ mm | ۰٫۴ mm | ۰٫۴–۰٫۸ mm | ۱٫۲۵ mm |
| ۳۰۱–۵۰۰ | ۰٫۲۵ mm | ۲٫۵ mm | ۰٫۸ mm | ۰٫۸ mm | ۲٫۵ mm |
| بالای ۵۰۰ | ۰٫۰۰۲۵ mm/V | ۰٫۰۰۵ mm/V | ۰٫۰۰۵ mm/V | ۰٫۰۰۵ mm/V | ۰٫۰۰۵ mm/V |
بالای ۵۰۰ ولت رابطه خطی است. مثال: برای ۱۰۰۰ ولت روی هادی خارجی بدون پوشش، حداقل فاصله میشود ۲٫۵ + ۰٫۰۰۵ × ۵۰۰ = ۵ میلیمتر؛ همان ولتاژ روی لایه داخلی ۰٫۲۵ + ۰٫۰۰۲۵ × ۵۰۰ = ۱٫۵ میلیمتر. اختلاف حدود ۳٫۳ برابر است و همین یک دلیل کافی است که نتهای ولتاژ بالا را تا جای ممکن به لایههای داخلی ببرید.
دو تذکر درباره خود جدول:
- پلههای جدول تیز و تا حدی دلخواهند. هیچ دلیل فیزیکی وجود ندارد که ۳۰۰ ولت با ۱٫۲۵ میلیمتر رد شود ولی ۳۰۱ ولت به ۲٫۵ میلیمتر بپرد. نزدیک مرز پلهها همیشه حاشیه امن اضافه بگیرید.
- IPC-2221 مرجع عمومی است، نه قانون محصول. اگر محصول شما گواهی ایمنی میخواهد (UL، CE، TÜV)، استاندارد محصول مثل IEC 62368-1 یا UL 61010-1 بر IPC-2221 مقدم است و معمولاً سختگیرانهتر، چون نوع عایق (پایه، تقویتشده، عملکردی) را هم وارد محاسبه میکند. برای مبدلهای توان، IPC-9592B را هم چک کنید و مقدار محافظهکارانهتر را مبنا بگذارید.
درجه آلودگی (Pollution Degree) چقدر فاصله خزشی را تغییر میدهد؟
استانداردهای IEC محیط کار برد را به سه درجه آلودگی تقسیم میکنند:
- PD1: محیط تمیز و کنترلشده؛ محفظه پلمپ بدون میعان. فقط آلودگی غیررسانا یا بدون آلودگی.
- PD2: شرایط معمول داخلی؛ آلودگی غیررسانا ممکن است، میعان گاهبهگاه. پیشفرض اکثر الکترونیک مصرفی و تجاری، و مبنای بیشتر اعداد IPC-2221.
- PD3: محیط صنعتی یا بیرونی؛ انتظار آلودگی رسانا یا میعان دائم. تابلو برق کارخانه، تابلوی کنار خط تولید، محفظه بیرونی و تجهیزات دریایی اینجا قرار میگیرند.
فاصله خزشی لازم در PD3 نسبت به PD2 بهطور محسوسی بیشتر است (در جداول IEC 60664-1 گاهی تا حدود دو برابر در ولتاژهای متوسط). اگر برد در محیط PD3 کار میکند، دو راه دارید: فاصله خزشی را بر اساس PD3 بزرگ کنید، یا با کانفورمال کویتینگ مؤثر و محفظه مناسب، درجه آلودگی مؤثر سطح را به PD2 یا PD1 برگردانید — راه دوم فقط وقتی پذیرفته میشود که پوشش بهطور رسمی qualify شده باشد و نهاد گواهیدهنده آن را قبول کند.
CTI و جنس لامینیت: ماده عایق هم سهم دارد
شاخص مقایسهای ترکینگ (CTI) ولتاژی است که سطح ماده عایق در آزمون استاندارد IEC 60112 زیر آن دوام میآورد. هرچه CTI بالاتر، مقاومت سطح در برابر ترکینگ بیشتر و فاصله خزشی لازم کمتر. دستهبندی مواد:
| گروه ماده | محدوده CTI | نمونه |
|---|---|---|
| I | ۶۰۰ V و بالاتر | لامینیتهای خاص High-CTI |
| II | ۴۰۰ تا ۶۰۰ V | برخی FR-4های تقویتشده |
| IIIa | ۱۷۵ تا ۴۰۰ V | FR-4 استاندارد (معمولاً ۱۷۵–۲۰۰) |
| IIIb | ۱۰۰ تا ۱۷۵ V | مواد ضعیفتر |
FR-4 معمولی در گروه IIIa/IIIb است. در طراحیهای فشرده ولتاژ بالا، ارتقا به لامینیت High-CTI میتواند فاصله خزشی لازم را حدود ۳۰ تا ۵۰ درصد کاهش دهد (برآورد صنعتی، وابسته به استاندارد و ولتاژ) و در عوض قیمت ماده بالا میرود. انتخاب لامینیت و ضخامت دیالکتریک را در راهنمای انتخاب متریال PCB توضیح دادهایم؛ در طراحی ولتاژ بالا، CTI و مقاومت در برابر CAF دو معیاریاند که نباید قربانی قیمت شوند.
یک نکته ارتفاع هم هست: با بالا رفتن ارتفاع، چگالی و استحکام دیالکتریک هوا کم میشود. IPC-2221C برای ارتفاعهای بالای ۳۰۵۰ متر مقادیر جداگانه دارد و مثلاً استاندارد GB 4943.1 چین برای محصول بدون علامت ارتفاع، طراحی در ۵۰۰۰ متری (حدود ۱٫۴۸ برابر فاصله سطح دریا) را فرض میکند. اگر محصول به بازارهای کوهستانی یا چین میرود، این را از قلم نیندازید.
افزایش فاصله خزشی با شیار و برش: تکنیکهای عملی
وقتی فضای برد محدود است، بهجای بزرگکردن برد یا جابهجایی کل چیدمان، این روشها فاصله خزشی را بدون تغییر فاصله هوایی بالا میبرند:
۱. شیار عبوری (Slot)
شیار فریزشده در خود برد، مسیر خزشی را مجبور میکند دور تا دور لبههای شیار برود. قواعد مهم:
- عرض شیار باید بیش از ۱ میلیمتر باشد تا طبق IPC و IEC بهعنوان افزایشدهنده فاصله خزشی شناخته شود. شیار ۰٫۵ میلیمتری که بعضیها برای صرفهجویی در فضا میکشند، در گواهی هیچ امتیازی ندارد. عرض معمول و مطمئن ۱ تا ۱٫۵ میلیمتر است.
- مسیر خزشی از لبه شیار پایین میرود، کف شیار را طی میکند و از طرف دیگر بالا میآید؛ یعنی عرض شیار خودش هم به طول مسیر اضافه میشود.
- شیار بدون آبکاری (Non-plated) برای مسیرهای ایزوله ترجیح دارد و لبههای شیار باید تمیز باشد؛ لبه زبر میدان الکتریکی را متمرکز میکند.
- مهمترین اشتباه: ریخته مس (Copper Pour) یا صفحه زمین که در هیچ لایهای از زیر شیار عبور کند. صفحه زمین پیوسته زیر مرز ایزولاسیون، کل فایده شیار را باطل میکند؛ مس همه لایهها را در ناحیه ایزوله حذف کنید.
این همان تکنیک استانداردی است که در منابع تغذیه ایزوله اطراف ترانسفورماتور و اپتوکوپلر میبینید.
۲. شیاری V شکل و بریدگی (V-Groove و Notch)
شیار V شکل که روی سطح برد حک میشود، طول مسیر سطحی را اضافه میکند و از شیار عبوری کامل ارزانتر است، ولی افزایش خزشی کمتری میدهد. مبنای محاسبه: مسیر از هادی پایین میرود تا نقطهای که عرض شیار به ۱ میلیمتر میرسد. بریدگی با دیوارههای موازی (حداقل ۱ میلیمتر عرض) خزشی بیشتری از V-Groove اضافه میکند.
۳. بردن نتهای ولتاژ بالا به لایه داخلی
هادی داخلی بین پرپگ و صفحات مس مهر و موم شده است؛ نه غبار به آن میرسد نه رطوبت. به همین دلیل ستون داخلی جدول IPC-2221 فاصلههای بسیار کوچکتری اجازه میدهد: در ۳۰۰ ولت، ۰٫۲ میلیمتر داخلی در برابر ۱٫۲۵ میلیمتر خارجی — حدود ۶ برابر. لایههای داخلی زیر ولتاژ بالا را با راهنمای Stackup چهارلایه طراحی کنید، اما یادتان باشد لایه داخلی هم از CAF (رشد رشته رسانای آندی بین Viaها در محیط مرطوب) در امان نیست؛ فاصله Viaها را طبق داده آزمون CAF لامینیت نگه دارید.
۴. کانفورمال کویتینگ: کمککننده، نه میانبر
پوشش نازک اکریلیک، سیلیکون، اورتان یا پارایلی سطح را آببندی میکند و میتواند درجه آلودگی مؤثر را بهبود دهد، اما فاصله هوایی لازم را کم نمیکند؛ ضخامت ۲۵ تا ۵۰ میکرونی پوشش جای خلاء هوایی را پر نمیکند. پوشش را ضریب اطمینان طرحی بدانید که خودش فاصلهها را رعایت کرده، نه راه فرار از رعایت آنها.
اشتباههای رایج در طراحی خزشی و هوایی
- سولدر ماسک را با کانفورمال کویتینگ اشتباه گرفتن. سولدر ماسک ستون B4 جدول است (پوشش پلیمری)، نه ستون A5. بعضی نهادهای گواهی، کاهش فاصله بر مبنای سولدر ماسک را نمیپذیرند. پیش از تکیه بر آن، از نهاد certifier بپرسید.
- طراحی روی حداقل مطلق، بدون حاشیه. تولرانس اچینگ، نفوذ مس و خطای ساخت میتواند ۱ تا ۲ میل از فاصله واقعی کم کند. حداقل ۲۰ درصد حاشیه روی عدد IPC-2221 بگذارید، مخصوصاً نزدیک پلههای جدول.
- فراموشکردن پایه قطعات. فاصله بین پینهای خود قطعه (مثلاً پین سیمپیچ و کنتاکت رله) هم تابع همان قواعد است. قطعهای با پینفاصله ۲٫۵۴ میلیمتر ممکن است در ۳۰۰ ولت به تنهایی کل زحمت شما را خراب کند؛ دیتاشیت را چک کنید.
- بیتوجهی به ارتفاع و بازار مقصد. محصولی که با فاصله سطح دریا طراحی شده، در گواهی بازار چین با فرض ۵۰۰۰ متر رد میشود.
- تعریفنکردن قواعد ولتاژ در Constraint Manager ابزار طراحی. اگر نتکلاس ولتاژ بالا و فاصلههای جدول ۶-۱ را قبل از Routing در ابزار ECAD تعریف نکنید، تخلفها از DRC رد میشوند و در مرحله گواهی با هزینه چند هفتهای برمیگردند.
چکلیست پیش از ارسال فایل ساخت
قبل از نهاییکردن Gerber بردهای ولتاژ بالا:
- ولتاژ کاری پیک هر مرز ایزوله را بنویسید و ستون درست جدول ۶-۱ (داخلی/خارجی/پوشش) را انتخاب کنید.
- درجه آلودگی محیط واقعی را تعیین کنید (PD2 یا PD3) و در حالت PD3 فاصله خزشی را بزرگتر یا پوشش مؤثر پیشبینی کنید.
- CTI لامینیت سفارشی را با گروه ماده مورد نیاز استاندارد تطبیق دهید.
- شیارهای ایزوله را با عرض بیش از ۱ میلیمتر، بدون آبکاری بکشید و مس همه لایهها را از زیر آنها پاک کنید.
- حاشیه ۲۰ درصدی روی اعداد جدول اعمال کنید.
- فاصله پینبهپین قطعات ولتاژ بالا (رله، ترانس، اپتوکوپلر، کانکتور) را از دیتاشیت چک کنید.
- قواعد را در فایل مشخصات ساخت هم بنویسید؛ حداقل عرض شیار و تلرانسهای اچینگ روی فاصله نهایی اثر میگذارد (جزئیات در چکلیست فایل Gerber).
جمعبندی
- فاصله هوایی از راه هوا و برای جلوگیری از قوس است؛ فاصله خزشی روی سطح عایق و برای جلوگیری از ترکینگ تدریجی.
- منبع اعداد، جدول ۶-۱ IPC-2221 است؛ بالای ۵۰۰ ولت رابطه خطی میشود و لایه داخلی حدود یکسوم تا یکششم فاصله خارجی را لازم دارد.
- درجه آلودگی محیط، CTI ماده و ارتفاع کار، سه عاملیاند که عدد جدول را اصلاح میکنند.
- شیار بیش از ۱ میلیمتر مؤثرترین و ارزانترین راه افزایش فاصله خزشی بدون بزرگکردن برد است؛ سولدر ماسک و کانفورمال کویتینگ میانبر نیستند.
- استاندارد محصول (IEC 62368-1 و مانند آن) همیشه بر IPC-2221 مقدم است.