Wenn der Strom andere Wege geht – Kriechstreckenanalyse auf Leiterplatten

Zum Schutz von Personen und Anlagen gegenüber elektrischen Spannungen müssen gemäss verschiedenen Normen minimale Werte für Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden. Die Analyse mit NEXTRA zeigt selbst bei hochkomplexen Strukturen die kürzeste Strecke an. In  der 3D-Ansicht der Leiterplatte lässt sich die Kriechstrecke anzeigen und einfach nachvollziehen.

Ein Kriechstrom ist ein Leckstrom, der an der Oberfläche eines Isolierstoffes entlang fließt. Während die inneren Isolationseigenschaften eines Isolierstoffes durch dessen spezifischen elektrischen Widerstand bestimmt werden, kann die Leitung von Strom an dessen Oberfläche wesentlich davon abweichen, auch wenn die Durchschlagsfestigkeit einer gleichlangen Luftstrecke noch nicht erreicht wird. Ursache ist eine mögliche Verschmutzung der Oberfläche, die im Produktionsprozess der Leiterplatte wie auch später im Betrieb vorkommen kann.

Insbesondere im Bereich der Leistungselektronik können Spannungen von weit mehr als 1.000 V zwischen den Leitungselementen auf einer Leiterplatte auftreten und die erforderlichen Mindestabstände überschreiten die normalen Abstände auf Leiterplatten. Diese größeren Sicherheitsabstände zwischen den elektrischen Netzen müssen unbedingt eingehalten werden.

In den Vorschriften zur Analyse von Kriechstrecken wird angenommen, dass das Trägermaterial der Leiterplatte selbst ein idealer Isolator ist, d. h. es gibt keine Möglichkeit des Stroms durch das Trägermaterial zu fließen oder es zu durchschlagen. Ein eventueller Kriechstrom selbst würde also nur auf der Oberfläche des Trägermaterials fließen. Außerdem wird angenommen, dass ein derartiger Strom nicht nur auf der Oberfläche einer Leiterplattenlage sondern auf der Oberfläche individueller Lagen laminierter Mehrlagenleiterplatten fließen könnte und daher von den Außenseiten einer Leiterplatte in die inneren Lagen eindringen kann.

Kriechströme können an offenen Seiten in die Innenlagen eindringen
Bild1: Kriechströme können an offenen Seiten in die Innenlagen eindringen

Kriechstrecken sind aber nicht nur an Außenseiten, sondern auch an den Innenflächen von Bohrungen und Fräsungen durch die Leiterplatte zu berücksichtigen.

Es gibt zahlreiche Standards und Normen zur Berücksichtigung von Kriechströmen. Als wesentliche Kriterien für die Berücksichtigung von Kriechströmen lassen sich vier Parameter herauskristallisieren:

  • Arbeitsspannung
  • Verschmutzungsgrad der Einsatzumgebung
  • Überspannungsklasse der Spannungsquelle sowie
  • Materialeigenschaften des Trägermaterials

Unabhängig von der Norm ist das Prinzip der Berechnung immer das gleiche. Es wird aus der speziellen Kombination der zuvor genannten Parameter ein minimaler Abstandswert in der entsprechenden Norm vorgegeben. Diese sind aus Tabellen abzulesen bzw. über Formeln zu berechnen.

Der Einsatz aktueller Layoutsysteme erlaubt die komfortable Definition von Regeln, denen ein Leiterplattenlayout genügen muss. Dazu gehören u.a. minimale und maximale Leiterbahnbreiten, Mindestabstände zwischen Leitungselementen, minimale oder maximale Längen von Netzen usw. Die maximalen Abstände von Leitungselementen werden dann von den automatischen Layout-Algorithmen (Routern) eingehalten oder als Designregelverletzung (DRC) identifiziert. Jedoch werden solche Abstände nicht als Abstände zwischen Elementen auf unterschiedlichen Lagen berücksichtigt.

Das 3D-Layoutsystem NEXTRA ermöglicht das Einlesen und Durchführen einer Kriechstreckenanalyse von Layouts, die in 2D-Leiterplattenlayoutsystemen von Cadence, Altium, Zuken, usw. erstellt wurden. Durch die vollständig dreidimensionale Darstellung eines Leiterplattenlayouts können Abstandsmessungen auch entlang der Oberfläche über mehrere Lagen hinweg vorgenommen werden.

Darüber hinaus lassen sich Netze automatisiert oder manuell zu Stromkreisen zusammenfassen, die gemeinsam als Probanden bei Kriechstreckenanalysen herangezogen werden. Die automatisierte Zuordnung kann ggf. beim Import eines Designs erstellt werden.

Die Software berücksichtigt bei der Kriechstreckenanalyse die Kontur der Leiterplatte sowie Fräsungen. Diese werden von Layoutern in die Leiterplatte eingebracht, um die möglichen Abstände zwischen Stromkreisen zu verlängern. Bei komplexen Leiterplatten können Fräsungen aber auch ungewollt zu Verkürzungen von Kriechstrecken zu Leitungselementen auf einer anderen Lage führen.

Die Ergebnisse der Kriechstreckenanalyse werden in tabellarischer Form als Gegenüberstellung der Leitungselemente und der zwischen ihnen ermittelten Strecke sowie in der 3D-Ansicht der Leiterplatte als farblich unterschiedliche Polygonzüge der Kriechstrecken dargestellt. Durch Selektion in der tabellarischen Darstellung oder in der 3D-Ansicht können Elemente individuell untersucht werden.

Anzeige der Kriechstreckenverletzung (grün) im 3D Kontext gezoomt
Bild 2: Anzeige der Kriechstreckenverletzung (grün) im 3D Kontext gezoomt

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