Warum Luftspalte zur Spannungsisolierung auf Leiterplatten verlegen?

Wenn ich etwas über das PCB-Design für Stromversorgungen erfahre, sehe ich häufig Leiterplatten mit gerouteten Lücken, um Teile des Layouts mit niedriger und hoher Spannung zu trennen.

Warum sollte man sich die Mühe machen, einen Luftspalt zu fräsen, wenn das Kupfer weggeätzt wird, um das gleiche Maß an Isolation zu erzielen? Ist die Durchschlagspannung von Luft viel höher als FR4?

Ich gehe davon aus, dass solche Lücken verwendet werden, um Situationen zu vermeiden, in denen Kupfer möglicherweise nicht perfekt weggeätzt wird.

Hochspannungs-PCB-Design

Hochspannungs-PCB-Design zur Verhinderung von Lichtbögen

Ein paar Gründe warum:

1. Wenn ein Überschlag auftritt, kann dies zu einer Verkohlung (auch als "Verbrennung" bezeichnet) der Leiterplattenoberfläche führen. Dies kann zu einem dauerhaften Kurzschluss führen. Dies ist auch ein irreversibler Schaden, bei dem ein Überschlag in der Luft nicht der Fall ist (es sei denn, etwas anderes geht schief). Dies wäre besonders schlimm, wenn eine einzelne Hochspannungsspitze einen Dauerkurzschluss erzeugen würde, dann würde für jede Spannungsquelle mit "niedrigem Pegel" immer noch ein Pfad mit niedriger Impedanz verfügbar sein.
2. Sie haben die Möglichkeit, eine Abschirmung mit hoher Durchschlagsfestigkeit zu installieren (viel besser als FR4 / Lötmaske und besser als Luft).
3. Staub / Schmutz kann sich auf der Oberfläche der Leiterplatte ansammeln und die Durchschlagfestigkeit verringern. Nicht so ein Problem (obwohl es immer noch ein Problem sein könnte), wenn diese Oberfläche einfach nicht da ist.
4. Im zweiten Link führten sie einige Experimente durch, bei denen die Feuchtigkeit einen drastischen Einfluss auf die Durchschlagspannung der Lötmaske und einen geringeren (wenn auch möglicherweise noch signifikanten) Effekt auf einen Schlitz hatte. Ihr bestes Ergebnis war das Entfernen der Lötmaske und das Schneiden eines Schlitzes (kein signifikanter Leistungseinbruch).
5. Alle versehentlichen Kriechfehler werden vom Router entfernt, obwohl dies in der Entwurfsphase besonders bei modernen CAD-Systemen unbedingt berücksichtigt werden sollte. Die Platine funktioniert möglicherweise nicht richtig, wenn Leiterbahnen unerwartete Unterbrechungen aufweisen. Wenn Sie eine Hochstrom-Leiterbahn verkleinern, kann dies zu folgenden Problemen führen: P
6. Der erforderliche Luftspalt scheint kleiner zu sein als der für die Oberfläche erforderliche Kriechweg.

Ein kurzer Blick auf einige Kriech- / Lufttabellen:

Freigabetabelle III

Kriechtabelle IV

dass zu bestätigen scheint creepage distance> clearance distance, insbesondere bei höheren Verschmutzungsgraden.

Der Verschmutzungsgrad ist ein Maß dafür, wie sich die Umgebung auf Ihre Leiterplatte auswirken kann. Siehe: Design für Staub .

Beschreibung der verschiedenen Verschmutzungsgrade (Tabelle 1):

1. Keine Verschmutzung oder nur trockene, nicht leitende Verschmutzung, die keinen Einfluss auf die Sicherheit hat. Sie können Verschmutzungsgrad 1 durch Kapselung oder Verwendung von hermetisch abgeschlossenen Bauteilen oder durch konforme Beschichtung von Leiterplatten erreichen.
2. Nichtleitende Verschmutzung, bei der gelegentlich vorübergehende Kondensation auftreten kann. Dies ist die häufigste Umgebung und wird im Allgemeinen für Produkte benötigt, die in Privathaushalten, Büros und Labors verwendet werden.
3. Leitfähige Verschmutzung oder trockene nichtleitfähige Verschmutzung, die aufgrund der erwarteten Kondensation leitfähig werden kann. Dies gilt im Allgemeinen für Industrieumgebungen. Sie können IP-Schutzgehäuse verwenden, um Verschmutzungsgrad 3 zu erreichen.
4. Verschmutzung, die dauerhafte Leitfähigkeit erzeugt, z. B. durch Regen, Schnee oder leitfähigen Staub. Diese Kategorie gilt für Umgebungen im Freien und gilt nicht, wenn die Produktnorm die Verwendung in Innenräumen vorsieht.

Ein Luftspalt weist ein viel höheres Durchschlagsniveau als nicht verkupferte Oberflächen auf einer Leiterplatte auf. Es gibt zwei Mechanismen: den physischen Luftspalt (Abstand) und das sogenannte "Tracking" auf Leiterplattenoberflächen (Kriechen).

Kriechstrecke. Kriechen ist der kürzeste Weg zwischen zwei leitenden Teilen (oder zwischen einem leitenden Teil und der Begrenzungsfläche des Geräts), der entlang der Oberfläche der Isolierung gemessen wird. Eine ordnungsgemäße und ausreichende Kriechstrecke schützt vor Nachführung. Dies ist ein Prozess, bei dem infolge der elektrischen Entladungen auf oder in der Nähe einer Isolationsoberfläche ein teilweise leitender Pfad mit lokaler Verschlechterung auf der Oberfläche eines Isolationsmaterials erzeugt wird. Der Grad der erforderlichen Nachverfolgung hängt von zwei Hauptfaktoren ab: dem vergleichenden Nachverfolgungsindex (CTI) des Materials und dem Grad der Umweltverschmutzung.

und,

Sicherheitsabstand. Der Abstand ist der kürzeste Abstand zwischen zwei leitenden Teilen (oder zwischen einem leitenden Teil und der Begrenzungsfläche des Geräts), der durch Luft gemessen wird. Der Freiraum verhindert den dielektrischen Durchschlag zwischen den Elektroden, der durch die Ionisierung der Luft verursacht wird. Das Ausmaß des dielektrischen Durchschlags wird ferner von der relativen Luftfeuchtigkeit, der Temperatur und dem Verschmutzungsgrad der Umwelt beeinflusst.

Als praktisches Beispiel für den Luftspalt über die Leiterplattenentfernung habe ich einmal ein Hochspannungsnetzteil (50 kV Gleichspannung) entworfen. Die Ausgangsstufen waren Diodenverdreifacher (für dieses Beispiel unwichtig), aber die Leiterplatte, auf der die Dioden und Kondensatoren montiert waren, die 6 kV brauchten und 50 kV erzeugten, musste große Löcher um die Komponenten haben, sodass die "Creapage" auf der Leiterplatte keine direkte Verbindung herstellen konnte Gerade über die Leiterplattenoberfläche, es musste vielmehr um die Schlitze und Löcher gewebt werden, und dies gab ihm signifikant höhere Durchbruchspannungsfähigkeiten.

Es gibt eine ähnliche Frage auf Stapelaustausch hier die Tabellen von Spannungen und Lücken für Kriech- und Clearance aufweist.