PCB設(shè)計(jì)中安全距離的規(guī)則注意事項(xiàng)

? ? ? ?PCB設(shè)計(jì)中安全距離的規(guī)則是一項(xiàng)非常重要的關(guān)鍵指標(biāo)。它涉及到PCB設(shè)計(jì)工藝是否美觀，功能是否完善。而作為功能完善的方面考慮，也分為電氣安全間距（違反該間距會(huì)造成短路等功能障礙，毀損電路板及整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)），機(jī)械結(jié)構(gòu)安全間距（違反該間距將造成元器件安裝不上或電路板與產(chǎn)品外殼不匹配）。因此，基于功能完善考慮的安全空間和距離的規(guī)則需要被我們?cè)O(shè)計(jì)師透徹了解，才能在設(shè)計(jì)中考慮到這些雷區(qū)而有效進(jìn)行規(guī)避。

PCB設(shè)計(jì)中都有哪些間距需要考慮？

??????PCB設(shè)計(jì)中有諸多需要考慮到安全間距的地方。在此，暫且歸為兩類(lèi)：一類(lèi)為電氣相關(guān)安全間距，一類(lèi)為非電氣相關(guān)安全間距。

電氣相關(guān)安全間距：

1. 導(dǎo)線之間間距

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???????據(jù)主流PCB生產(chǎn)廠家的加工能力，導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的間距不得低于最小4mil。最小線距，也是線到線，線到焊盤(pán)的距離。從生產(chǎn)角度出發(fā)，有條件的情況下是越大越好，一般常規(guī)在10mil比較常見(jiàn)。

2. ??焊盤(pán)孔徑與焊盤(pán)寬度

???????據(jù)主流PCB生產(chǎn)廠家的加工能力，焊盤(pán)孔徑如果以機(jī)械鉆孔方式，最小不得低于0.2mm，如果以鐳射鉆孔方式，最小不得低于4mil。而孔徑公差根據(jù)板材不同略微有所區(qū)別。一般能管控在0.05mm以?xún)?nèi)。焊盤(pán)寬度最小不得低于0.2mm。 ?

3. 焊盤(pán)與焊盤(pán)之間的間距

???????據(jù)主流PCB生產(chǎn)廠家的加工能力，焊盤(pán)與焊盤(pán)之間的間距不得低于0.2mm。

4. 銅皮與板邊之間的間距

? ? ??帶電銅皮與PCB板邊的間距最好不小于0.3mm。如上圖所示，在Design-Rules-Board outline頁(yè)面來(lái)設(shè)置該項(xiàng)間距規(guī)則。

??????如果是大面積鋪銅，通常也是與板邊需要有內(nèi)縮距離，一般設(shè)為20mil。在PCB設(shè)計(jì)以及制造行業(yè)，一般情況下，出于電路板成品機(jī)械考慮，或者避免銅皮裸露在板邊可能引起的卷邊或電氣短路等情況發(fā)生，工程師經(jīng)常會(huì)將大面積鋪銅塊相對(duì)于板邊內(nèi)縮20mil，而不是一直將銅皮鋪到板邊沿。這種銅皮內(nèi)縮的處理方法有很多種。比如板邊繪制keepout層，然后設(shè)置鋪銅與keepout的距離。此處介紹一種簡(jiǎn)便的方法，即為鋪銅對(duì)象設(shè)置不同的安全距離，比如整板安全間距設(shè)置為10mil，而將鋪銅設(shè)置為20mil。即可達(dá)到板邊內(nèi)縮20mil的效果。同時(shí)也去除了器件內(nèi)可能出現(xiàn)的死銅。如下圖所示。

非電氣相關(guān)的安全間距：

1. 字符寬度高度及間距

???????文字菲林在處理時(shí)不能做任何更改，只是將D-CODE小于0.22mm（8.66mil）以下的字符線條寬度都會(huì)加粗到0.22mm。即字符線條寬度L0.22mm(8.66mil)。而整個(gè)字符的寬度W1.0mm。整個(gè)字符的高度H1.2mm。字符之間的間距D0.2mm。當(dāng)文字小于以上標(biāo)準(zhǔn)時(shí)加工印刷出來(lái)會(huì)模糊不清。

2. 過(guò)孔到過(guò)孔間距（孔邊到孔邊）

???????過(guò)孔（VIA）到過(guò)孔間距(孔邊到孔邊)最好大于8mil。

3. 絲印到焊盤(pán)距離

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??????絲印不允許上焊盤(pán)。因?yàn)榻z印若蓋上焊盤(pán)，在上錫的時(shí)候絲印處將不能上錫，從而影響元器件裝貼。一般板廠要求預(yù)留8mil的間距為好。如果PCB板實(shí)在面積有限，做到4mil的間距也勉強(qiáng)可以接受。如果絲印在設(shè)計(jì)時(shí)不小心蓋過(guò)焊盤(pán)，板廠在制造時(shí)會(huì)自動(dòng)消除留在焊盤(pán)上的絲印部分以保證焊盤(pán)上錫。

??????當(dāng)然在設(shè)計(jì)時(shí)具體情況具體分析。有時(shí)候時(shí)故意讓絲印緊貼焊盤(pán)的，因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)焊盤(pán)靠的很近的時(shí)候，中間的絲印可以有效防止焊接時(shí)焊錫連接短路。此種情況另當(dāng)別論。

4. 機(jī)械結(jié)構(gòu)上的3D高度和水平間距

???????PCB上器件在裝貼時(shí)要考慮到水平方向上和空間高度上會(huì)不會(huì)與其他機(jī)械結(jié)構(gòu)有沖突。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到元器件之間，以及PCB成品與產(chǎn)品外殼之間，空間結(jié)構(gòu)上的適配性，為各目標(biāo)對(duì)象預(yù)留安全間距。該間距以保證它們?cè)诳臻g上不發(fā)生沖突為度自行考慮。

安全距離設(shè)計(jì)方面幾個(gè)典型案例

1. 銅厚，走線寬度與電流的關(guān)系 ?

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??????正常的制程下, 銅皮厚度有18um、35um、50um、70um?; 而超過(guò)70um以上的， 就屬于特殊制程了。

?????對(duì)于銅皮厚度為150um的PCB板，稱(chēng)為厚銅板，主要還是靠的是電鍍加鍍鍍銅， 銅厚度不夠， 一直鍍，直到鍍到所要求厚度為止。即加鍍處理，此工藝難度高，一般廠家不愿意制作且成本超貴，不適合大批量生產(chǎn)。建議：對(duì)于特大電源的模塊走線，如果不是整板都需要150um時(shí)，可考慮手工加錫或另增加并聯(lián)大電流銅芯導(dǎo)線，這種工藝方便操作，也可大批量生產(chǎn)。

???????PCB設(shè)計(jì)時(shí)，銅箔厚度，走線寬度和電流的關(guān)系如下表。下表羅列出幾種常用線寬值（2,1.5,1.2…...0.15mm）所對(duì)應(yīng)的銅箔厚度規(guī)格下的電流承載值。

???????以上數(shù)據(jù)為一般常溫25℃以下的線路電流承載值。單位換算1mm=39.37mil。1oz銅厚：將1oz銅平鋪到1平方英尺上所形成的銅箔的厚度，大約為0.035mm(1.4mil)。NSI PCB走線寬度計(jì)算器參考可點(diǎn)擊這里。

2. PCB間距（Clearance）和爬電距離（Creepage）

???????PCB設(shè)計(jì)趨勢(shì)總是朝向尺寸減小和增加元件密度以追求體積小型化。雖然新技術(shù)和新一代元器件使這一切成為可能，但有時(shí)，特別是當(dāng)高壓電路與普通電路混合存在時(shí)，PCB設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)中需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題更為復(fù)雜。隨著當(dāng)前的小型化趨勢(shì)，高電壓系統(tǒng)必須放置在同一板上，并且設(shè)計(jì)者必須找到實(shí)現(xiàn)這些規(guī)則的解決方案。這種小型化對(duì)設(shè)計(jì)者提出了一些重大挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于混合技術(shù)，其中高壓電路是設(shè)計(jì)的一部分，比如太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換和手持醫(yī)療成像產(chǎn)品。在過(guò)去，通常在多板系統(tǒng)中將高壓板設(shè)計(jì)為單獨(dú)的一塊板?，F(xiàn)在，對(duì)小型化的持續(xù)驅(qū)動(dòng)意味著我們沒(méi)有用于多個(gè)板的空間，并且使用混合技術(shù)的設(shè)計(jì)的數(shù)量增加，其中模擬，數(shù)字和RF電路與高壓電路緊密結(jié)合。這些高壓電路需要以增加的電氣間距和隔離的形式，附加設(shè)計(jì)規(guī)則以用于操作者的安全。

???????幾乎所有PCB設(shè)計(jì)軟??件工具都將所有間隔通稱(chēng)為間距Clearance。實(shí)際上一切在絕緣表面上的導(dǎo)電對(duì)象之間應(yīng)用的間距，比如焊盤(pán)到焊盤(pán)，焊盤(pán)到導(dǎo)線，導(dǎo)線到導(dǎo)線的間隔參數(shù)，都是爬電距離，而不是我們常說(shuō)的間距。通過(guò)空氣在導(dǎo)電元件之間的間隔才是間距。毫無(wú)疑問(wèn)，通用術(shù)語(yǔ)“間距規(guī)則（Clearance）” 將繼續(xù)用于工程師的設(shè)計(jì)和EDA工具中，作為我們通常意義下的間距（不管它到底是爬電距離creepage還是間距Clearance）。但是，在高電壓電路應(yīng)用的場(chǎng)合，爬電距離和傳統(tǒng)意義的間距還是有很大差異的，這個(gè)是設(shè)計(jì)師需要特別注意的地方。一般來(lái)說(shuō)，爬電要求總是大于或等于相關(guān)的間距要求。

???????在有限空間中實(shí)現(xiàn)混合技術(shù)設(shè)計(jì)的高壓間距規(guī)則有一套當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)IEC60950標(biāo)準(zhǔn)的定義：

• PCB 間距(Clearance) ：通過(guò)空氣測(cè)量的兩個(gè)導(dǎo)電對(duì)象之間或?qū)щ姴考驮O(shè)備的邊界表面之間的最短路徑。也是我們常見(jiàn)并常用的間距。

• 爬電距離(Creepage)： 通過(guò)沿著絕緣材料表面測(cè)量的兩個(gè)導(dǎo)電對(duì)象之間的最短路徑。如下圖所示。

?????????如下圖為包含有絕緣屏障或電路板上加開(kāi)空氣槽的PCB設(shè)計(jì)例子，更能清楚明了地了解爬電距離和間距的不同。 ???????

如何解決間距不足的問(wèn)題

??????間距是在空氣（視線）中測(cè)量的，因此在布局層面可以做到合理布局，以減少所需的間距。通過(guò)使用絕緣材料并且在可能的情況下通過(guò)雙側(cè)組裝可以實(shí)現(xiàn)間隔的顯著減小。絕緣材料可以是高壓節(jié)點(diǎn)之間的片狀屏障。由于高的部件是表面安裝的，可以將需要間距的電路放置在板的相對(duì)側(cè)上。處于相同電位的相同高電壓電路內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通常需要注意與低電壓電路間距。一種好的方法是在電路板的頂部放置高壓電路，在底部放置低壓電路，用于控制和監(jiān)測(cè)。低壓電路通常不具有高壓電路所所需的邊界表面（殼體）爬電要求。

如何解決爬電距離不足的問(wèn)題

?????我們知道，爬電距離是絕緣表面上的電節(jié)點(diǎn)之間的間隔。在我們的討論中，這意味著PCB表面或內(nèi)部層上的導(dǎo)體之間的空間。但是進(jìn)一步擴(kuò)展元件將受到產(chǎn)品包裝體積的約束，因此需要有一些其他策略，在允許更高的封裝密度情況下，同時(shí)滿(mǎn)足所需的爬電距離。

上圖顯示了用以增加爬電距離的各種情況。

• a圖表示平坦表面上的正常狀態(tài)示。爬電距離是在節(jié)點(diǎn)之間的表面上測(cè)量的。

• b圖表示V形槽可以增加節(jié)點(diǎn)之間的表面距離。增加的長(zhǎng)度僅沿著凹槽測(cè)量到其減小到1mm寬度的點(diǎn)。

• c圖表示矩形凹槽 可以進(jìn)一步增加表面距離，但是寬度必須為1mm或更大。但是這樣的凹槽比V形槽的加工成本更貴。

• d圖表示PCB上開(kāi)通槽（大于1mm寬度的槽）可以大大增加表面距離。這是增加爬電距離并且最具成本效益的最簡(jiǎn)單的方法。然而，它在一個(gè)方向上需要相當(dāng)大的自由空間。

3. 計(jì)算各電壓等級(jí)下導(dǎo)線間距的標(biāo)準(zhǔn)

????????PCB走線之間的適當(dāng)距離對(duì)于避免電導(dǎo)體之間的短路至關(guān)重要。不幸的是，這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有單一的解決方案。存在各種工業(yè)和安全標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電壓，應(yīng)用和其它因素規(guī)定不同的間隔要求。這里我提供一些注意事項(xiàng)，幫助您確定PCB導(dǎo)線之間的適當(dāng)距離。

??????當(dāng)產(chǎn)品必須通過(guò)某個(gè)安全機(jī)構(gòu)認(rèn)證時(shí)，各安全檢測(cè)機(jī)構(gòu)都有一系列用以滿(mǎn)足特定的絕緣要求的標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，找到所需的間距是很方便的。例如，在美國(guó)，對(duì)于大多數(shù)市電或電池供電的信息技術(shù)設(shè)備，最小允許PCB間距應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)UL IEC60950-1第2版表2K，2L，2M或2N確定。這些表格指定了各種絕緣等級(jí)的所謂安全間距和“爬電距離”。

??????所需的等級(jí)取決于所在電路的位置。當(dāng)考慮給定設(shè)計(jì)的間距和爬電要求時(shí)，要考慮污染程度和絕緣類(lèi)型的組合。污染程度通常指，周?chē)諝庵谢蚋邏汗?jié)點(diǎn)之間的表面上的灰塵，濕氣和其他顆粒物質(zhì)的含量。 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了功能性，基本，補(bǔ)充，雙重和加強(qiáng)絕緣。這些絕緣定義相當(dāng)復(fù)雜。爬電距離的標(biāo)準(zhǔn)也跟這些絕緣等級(jí)的不同而不同。如下圖所示為標(biāo)準(zhǔn)IEC60950-1所要求的爬電距離。在不同電壓等級(jí)下所需要的最滿(mǎn)足的最小爬電距離。下表的數(shù)據(jù)使用與基本絕緣等級(jí)，如果是雙重或者加強(qiáng)絕緣等級(jí)，數(shù)據(jù)需要翻倍。

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???????例如，當(dāng)擊穿可能性高或接近危險(xiǎn)電壓時(shí)（例如在電源電路和低壓次級(jí)電路之間絕緣的情況下），需要雙重或加強(qiáng)絕緣。在這種情況下，要分離PCB上的這些電路，需要將相應(yīng)表中的所需最小爬電距離加倍。表中以mm為單位（1 mm≈40mil）。

???????對(duì)于不符合UL60950-1安全標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)師通常參照IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定電氣安全間距。它在全世界被廣泛接受為用于商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的通用PCB設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。IPC-2221A的表6.1規(guī)定了不同電壓，高度水平和涂層所需要的最小導(dǎo)體間安全間距。不過(guò)IPC-2221A標(biāo)準(zhǔn)自從1998年引入后，數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有再修正過(guò)。因此其數(shù)據(jù)可作為大致參考，在實(shí)際設(shè)計(jì)中還是需要根據(jù)具體問(wèn)題進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

???????最近的IPC-9592標(biāo)準(zhǔn)是用于功率轉(zhuǎn)換電路，提供了線性功能間隔要求：SPACING（mm）= 0.6 + Vpeak×0.005。線性函數(shù)看起來(lái)更為直觀明了。然而，經(jīng)常會(huì)根據(jù)此公式算出很高的間隔數(shù)值。因此后來(lái)的修正中，采取了不同級(jí)別的參數(shù)值，來(lái)適應(yīng)不同電壓等級(jí)的安全距離的要求。如小于15V用0.13mm，15V和30V之間用0.25mm，30V到100V之間用0.1 + V×0.01來(lái)取代。這樣計(jì)算出來(lái)的安全距離就更為合理。

???????作為參考，下面的圖表為三種不同標(biāo)準(zhǔn)在不同電壓等級(jí)下所需安全間距的比較。其曲線應(yīng)用與功能性絕緣等級(jí)。

• IPC2221A（用于PCB未經(jīng)涂層coating處理）;

• IPC9592B（常用于功率轉(zhuǎn)換電路）;

• UL60950（用于功能性絕緣等級(jí)，表格5B，40V/mil電氣強(qiáng)度）。

??????當(dāng)產(chǎn)品符合UL標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要在UL標(biāo)準(zhǔn)中選擇適當(dāng)?shù)谋砀?。首先根?jù)電路的位置確定絕緣等級(jí)，然后從表2K-2N中根據(jù)工作電壓，污染等級(jí)，PCB材料組和涂層找到所需的最小間隔。

??????如果產(chǎn)品不屬于UL標(biāo)準(zhǔn)范疇，盡可能使用IPC-2221B（或IPC-9592B電源電路）所推薦的距離。然而，如果PCB上的空間嚴(yán)重不足，需要選擇更小的間距，只要它仍然能夠承受測(cè)試電壓明顯高于走線之間的峰值電壓的要求即可。