Hochspannungsbereiche auf Leiterplatten für industrielle Leistungselektronik – netzgekoppelte Leistungsumwandlung im Versorgungsmaßstab, industrielle Antriebe, Leistungsmodule für Industrial IoT – bergen eine Reihe von fertigungsgerechten Designrisiken, die auf einer typischen Mixed-Signal-Leiterplatte nicht auftreten. Dieser Text führt durch fünf Bereiche, die vor dem Versand der Gerberdaten in die Fertigung überprüft werden sollten: Kriechstrecken und Luftstrecken, Platzierung von Isolationsbauteilen, Behandlung von Lötstoppmaske/Siebdruck um Isolationszonen, Abstände von Testpunkten sowie Auswahl von thermischen/Isolationsmaterialien. Er ist ein Begleittext zu PCBCarts umfassendererCheckliste für DFM von industriellen Leiterplattenbestückungen (PCBA), der sich speziell auf die Auslegung von Hochspannungsisolierungen konzentriert. Die genauen Werte für eine bestimmte Leiterplatte – die minimale Kriechstrecke in Millimetern, die Materialgruppe, in die ein Substrat fällt – hängen von ihrer Betriebsspannung, Verschmutzungsgrad und Materialauswahl ab. Behandle das Folgende daher eher als Fragen, die du in eine Designüberprüfung einbringen solltest, denn als eine Spezifikation zum direkten Übernehmen.
1. Kriechstrecken- und Luftstrecken-Design
Kriechstrecke und Luftstrecke werden von unterschiedlichen Variablen bestimmt und sollten nicht in eine einzige Abstandsregel zusammengefasst werden. Die Luftstrecke – der kürzeste Weg durch die Luft – wird durch die Überspannungskategorie der transitorischen Beanspruchung festgelegt, der ein Stromkreis ausgesetzt ist, nicht durch seine Gleichspannungs-Nennspannung; eine Leiterplatte kann eine DC-Bus-Prüfung bestehen und dennoch bei einem Schalttransient versagen, für den sie nicht dimensioniert wurde. Die Kriechstrecke – der kürzeste Weg entlang der Oberfläche – wird durch die Betriebsspannung an diesem Knoten, den Verschmutzungsgrad und die Materialgruppe (CTI) der Leiterplatte sowie etwaiger Beschichtungen gemäß IEC 60664-1 festgelegt. Zonenübergänge sind eine häufige Fehlerquelle: Leiterbahngeometrien, die auf der Niederspannungsseite unkritisch sind, werden oft unverändert in einen Hochspannungsbereich weitergeführt, ohne erneut überprüft zu werden. Beide Abstände sollten als geradliniger Weg gemessen werden, nicht als geführte Leiterbahnlänge. Wo die Leiterplattenfläche knapp ist, verlängert ein Schlitz zwischen HV- und LV-Zonen den Oberflächenweg, ohne die Leiterplatte zu verbreitern, gemäß der Schlitzanrechnungs-Richtlinie der IPC-2221, und der Abstand zwischen Innenlagen erfordert die gleiche Sorgfalt wie die Oberfläche – ein Spalt, der optisch unkritisch wirkt, kann zwischen Innenlagen dennoch zu gering sein. Werkzeuge für den Nutzen und die Entpanelisierung sollten außerdem am entpanelten Board selbst geprüft werden, nicht am Nutzen, da Trennschnitte an den Stegen wirksame Kriechstrecke von einer Kante entfernen können, die im Nutzen noch ausreichend bemessen war.
2. Platzierung von Isolationskomponenten
Optokoppler, isolierte Gatetreiber und Isolationstransformatoren bieten nur dann die vorgesehene Isolation, wenn die Leiterplatten-Grenzlinie mit der Kriechstrecken-Spezifikation im Datenblatt der Bauteile übereinstimmt – eine Grenzlinie, die von der tatsächlichen Isolationsstelle des Bauteils abweicht, untergräbt dessen Einstufung, unabhängig davon, was das Layout zeigt. Dasselbe gilt für isolierte DC-DC-Module: Primär- und Sekundär-Pinreihen benötigen einen durchgehenden Sperrschlitz zwischen sich, nicht nur getrennte Footprints, und keine Kupferfläche darf unter einem Barrierebauteil hindurchgeführt werden, da eine Fläche, die unter einem Isolator hindurchbrückt, diesen unsichtbar außer Kraft setzt. HV-Steckverbinder benötigen genügend Abstand, damit die gesteckten Kontakte – nicht nur das unbestückte Footprint – von benachbarter Niederspannungselektronik freigehalten werden. Und die Barrierebreite sollte die SMT-Platzierungstoleranz berücksichtigen, nicht nur die Nennposition, da gewöhnliche Bestückungsabweichungen über eine Produktionsserie hinweg einen ohnehin knappen Isolationsabstand weiter verringern können.
3. Lötstoppmaske & Bestückungsaufdruck um Isolationszonen
Lötstopplack ist für Kriech- und Luftstrecken nicht als Isolierung anzusehen, es sei denn, ein spezifisches Beschichtungssystem mit eigener Zulassung ist ausdrücklich für diese Aufgabe vorgesehen – die grüne Maske so zu behandeln, als ob sie Abstand zurückgewinnen würde, ist eine verbreitete und riskante Annahme. Auch der Siebdruck verdient die gleiche sorgfältige Betrachtung: Warnhinweise und Bestückungsaufdrucke, die über oder direkt neben einer Isolations-Sperrzone gedruckt werden, können dazu führen, dass ein Prüfer die gedruckte Linie mit der tatsächlichen elektrischen Grenze verwechselt, und bei Feuchtigkeit kann die Tinte selbst einen ohnehin knappen Abstand überbrücken. Hochspannungs-Warnhinweise sollten ausdrücklich spezifiziert und nach dem Reflow auf Lesbarkeit überprüft werden, statt sie als gegeben vorauszusetzen. Die Breite der Lötstoppmaske zwischen benachbarten Hochspannungs-Pads braucht zudem genügend Reserve, um die thermischen Zyklen beim Reflow ohne Risse zu überstehen, und sollte über der minimalen Strukturbreite des Maskenlieferanten liegen, um Splitter zu vermeiden – beides kann sonst genau dort Kupfer freilegen, wo es am kritischsten ist.
4. Prüfpunkt Hochspannungssicherheitsabstand
Prüfpunkte sind nicht von Kriech- und Luftstreckenregeln ausgenommen, nur weil sie außerhalb des funktionalen Schaltungspfads liegen – ein Hochspannungs-Prüfpunkt mit Abständen wie bei einer Niederspannung ist trotzdem ein aktiver Hochspannungs-Knoten. Über die elektrischen Abstände hinaus muss auch der Zugang mit der Prüfspitze überprüft werden: Ein Prüfpunkt, der so positioniert ist, dass sich während des Tests die Hand des Bedieners in der Nähe eines aktiven Hochspannungs-Knotens befindet, stellt ein mechanisches Sicherheitsproblem dar, nicht nur ein Layout-Thema. Auch das Design der Prüfvorrichtung ist wichtig – Hochspannungs- und Niederspannungs-Prüfpunkte sollten in der Aufnahmeeinheit der Vorrichtung voneinander isoliert sein, und kein Prüfpunkt sollte in einem Bereich liegen, der für das Vergießen vorgesehen ist, da ein Zugriff nach dem Aushärten die Dichtung beeinträchtigen würde. Es lohnt sich außerdem zu prüfen, ob die auf einem Prüfpunkt gekennzeichnete Spannung mit der tatsächlichen Schaltung übereinstimmt und nicht nur einem CAD-Bibliotheksstandard entspricht.
5. Wärmemanagement- und Isoliermaterialien
Isolierende Wärmeleitpads und -unterlegscheiben unter HV‑Bauteilen benötigen eine Durchschlagsfestigkeit, die die angelegte Betriebsspannung mit ausreichender Reserve übertrifft – andernfalls wird das Wärmeleitmaterial zum schwächsten Glied im Isolationspfad, nicht die Leiterplatte. Die Abstandshöhe des Kühlkörpers erfordert die gleiche Sorgfalt, da ein Metallkühlkörper, der zu nah montiert ist, den Luftabstand zu benachbarten HV‑Leiterbahnen oder -Pads verringern kann. Unter einer Isolationsbarriere geführte thermische Via‑Arrays können eine unbeabsichtigte leitfähige Brücke erzeugen, wenn sie nicht gegen die Barrieregrenze geprüft werden. Wo Verguss oder Verkapselung eingesetzt wird, darf dies niemals ausreichende Abstände ersetzen: Kriechstrecken und Luftstrecken müssen an der nackten, gereinigten Baugruppe vor dem Verguss verifiziert werden, da jeder Mangel eingekapselt und danach nicht mehr erkennbar wird. Auch die Verzugskontrolle mittels Vorrichtungen während des Reflow‑Lötens ist prüfenswert, da eine Leiterplatte, die sich unter der Vorrichtung durchbiegt, HV‑Steckverbinderabstände so weit verschieben kann, dass der tatsächlich gebaute Abstand vom konstruierten Wert abweicht. Und die CTI‑Bewertung des Isoliermaterials muss der Materialgruppe entsprechen, die in der Kriechstreckenberechnung verwendet wurde – die Berechnung ist nur so gut wie diese Annahme.
Wo diese Prüfungen am häufigsten scheitern
In der Praxis sind es einige wenige Versäumnisse, die einen unverhältnismäßig großen Anteil der Nacharbeiten an industriellen Leistungsplatinen verursachen: Sammelschienen- und Schraubklemmenabstände, die an den mechanischen Footprint des Steckverbinders statt an seine angelegte Betriebsspannung bemessen werden, sobald transiente Überspannungen berücksichtigt sind; Isolations‑Keep‑out‑Zonen, die optisch mit einer darauf aufgedruckten Warnbeschriftung verwechselt werden; und Kriech‑/Luftstrecken‑Freigaben, die nach dem Verguss anstatt davor erfolgen, wenn etwaige Defizite bereits eingekapselt und nicht mehr behebbar sind.
Verwendung dieser Kategorien zur Bewertung der Hochspannungs-Designkompetenz eines EMS-Partners
Käufer können dieselben fünf Kategorien verwenden, um die Hochspannungs-Designkompetenz eines EMS-Partners zu beurteilen, unabhängig davon, wer letztendlich die Montage durchführt:
● Fordern Sie eine kommentierte Rückmeldung zu einem echten Gerber-/Stücklisten‑Satz an – mit markierten Netzen und bemaßten Werten, nicht nur eine allgemeine Freigabe.
● Prüfen, ob in der Antwort Kriechstrecken von Luftstrecken unterschieden werden, anstatt einen einheitlichen Abstand unabhängig vom Verschmutzungsgrad oder der Materialgruppe anzuwenden.
● Fragen Sie, wie die Isolation nach der Montage verifiziert wird, nicht nur beim Layout – Inline-Methoden wie 3D-AOI oder Röntgenuntersuchung für verborgene Abstände unter BGA/QFN deuten darauf hin, dass der Lieferant die Herstellbarkeit prüft und nicht nur ein PDF.
● Bestätigen Sie, was passiert, wenn ein Verstoß festgestellt wird – es sollte zu einem dokumentierten Befund führen, der vor dem Einsatz von Tools freigegeben wird, nicht zu einer informellen E-Mail.
PCBCart ist nach IATF 16949 für sein Qualitätsmanagementsystem zertifiziert und bietet als standardisierten Vorbereitungsschritt vor der Produktion für HMLV‑Programme eine kostenlose DFM‑Prüfung der eingereichten Gerber‑ und Stücklisten‑Dateien (BOM) an.
Besprechen Sie die konkreten Zahlen für Ihren Vorstand
Die oben genannten Kategorien sind die Fragen, die in eine Designprüfung einfließen sollten – die tatsächlichen minimalen Kriech- und Luftstreckenwerte für eine bestimmte Leiterplatte hängen von ihrer Betriebsspannung, dem Verschmutzungsgrad und dem CTI der gewählten Materialien ab, und es lohnt sich, diese Werte anhand des konkreten Designs zu ermitteln, anstatt sie aus einer generischen Tabelle abzulesen. Wenn Sie vor der Werkzeugerstellung einen zweiten Blick auf eine Hochspannungsplatine wünschen, teilen Sie Ihre Gerber-Dateien, die Stückliste (BOM) und die Annahmen zu Betriebsspannung/Verschmutzungsgrad für die HV-Bereiche über PCBCart’skostenlose DFM-Prüfungund kennzeichnen Sie Kriechstrecken/Luftstrecken/Isolierung als Priorität, damit sie zusammen mit der standardmäßigen Herstellbarkeitsprüfung überprüft werden.
Hilfreiche Ressourcen
●Röntgen-BGA-Hohlraumanalyse für industrielle Leistungsmodule
●10 Fragen, die Sie jedem EMS-Partner vor der Unterzeichnung stellen sollten
