Czym jest CTI w przypadku PCB?

Płytki drukowane (PCB) wymagają izolacji, która pomaga chronić materiały nieprzewodzące, a także zapobiega stykaniu się ze sobą elementów przewodzących (tj. oddziela ścieżki przewodzące, aby zapobiec zwarciom i awariom). Izolacja może jednak podlegać szeregowi niekorzystnych warunków, które wpływają na jej jakość i właściwości ochronne. Określenie wskaźnika CTI (comparative tracking index) pozwala producentom na stosowanie odpowiednich typów izolacji PCB w celu zapobiegania upływom prądu na ścieżkach przewodzących.

Czym jest CTI w przypadku płytek drukowanych?

CTI, często tłumaczony jako wskaźnik śledzenia porównawczego, jest miarą definiującą rezystancję izolacji podłoża PCB na niepożądane przepływy prądu. Miara ta pozwala producentom dowiedzieć się, jak substrat PCB zachowuje się w różnych środowiskach i czy w przypadku uszkodzenia izolacji mogą nastąpić niepożądane przepływy prądu. CTI oznacza maksymalne napięcie, jakie substrat może wytrzymać w warunkach pojawienia się wilgoci. Właściwości materiału izolacyjnego są testowane zgodnie z normą IPC-TM-650 pod kątem przebicia elektrycznego na powierzchni.

Płytki drukowane są używane w różnych środowiskach, w tym w zastosowaniach morskich, lotniczych, chemicznych i obronnych, w których może występować wilgoć, zanieczyszczenia lub korozja. Gdy płytki drukowane są zanieczyszczone, narażone na nadmierne obciążenia elektryczne lub wilgoć, mogą tworzyć się niepożądane ścieżki przewodzące, prowadzące wprost do powstawania zwarć. Ponadto, pomiędzy dwoma przewodzącymi elementami umieszczonymi blisko siebie, może utworzyć się łuk elektryczny.

Jak mierzony jest CTI?

Wszystkie testy wartości CTI muszą być wykonywane zgodnie z normami IEC-22 ‘Metoda testowania współczynnika CTI substratów, płytek drukowanych i obsadzonych PCB’. Każdy substrat jest testowany i oceniany na podstawie oporu, jaki wykazuje po wystawieniu na działanie, zanieczyszczonych cieczy, czyli elektrolitu zawierającego 0,1% chlorku amonu. Nakłada się 50 kropli takiej cieczy w odstępie co 30 sekund i jednocześnie do próbki przykładane jest napięcie testowe 600 V. Awaria jest sygnalizowana, gdy niepożądany przepływ prądu następuje podczas nakładania 50 kropli na powierzchnię. Test jest powtarzany 5 razy w różnych miejscach wzdłuż próbki. Jeśli próbka testowa nie przejdzie testu przy 600 V, napięcie testowe jest obniżane, zwykle o 25 V. Ocena CTI to maksymalne napięcie, jakie substrat może wytrzymać bez uszkodzenia i określa tym samym wydajność materiału w danym środowisku.

Po nadaniu materiałowi oceny CTI zostaje on umieszczony w odpowiedniej kategorii materiałów opracowanej przez IEC i Underwriters Laboratories (UL):

• Kategoria I: 600 V </=
• Kategoria II: 400 V </= CTI < 600 V
• Kategoria IIIa: 175 V </= CTI < 400 V
• Kategoria IIIb: 100 V </= CTI < 175 V

Na przykład jeśli materiał wytrzymuje 200V, ale zawodzi przy 350 V, należy do kategorii materiałów IIIa i ma wartość CTI równą lub większą niż 175 V, ale mniejszą niż 400 V. Znajomość wartości CTI dostarcza ważnych informacji, umożliwiając wybór odpowiedniego substratu PCB, które może zapewnić optymalną wydajność nawet przy pewnym poziomie wilgotności, kurzu, pyłków, wilgoci, chemikaliów lub innych naprężeń, pozwalając na zapobieganie upływom prądu, określanym jako leakage oraz creepage.

Jaka jest różnica między tymi określeniami? Leakage to niepożądany przepływ prądu za pośrednictwem ścieżki przewodzącej utworzonej w efekcie degradacji materiału izolacyjnego. Zdegradowana sekcja materiału staje się zwęglona i przewodząca. Na przykład, jeśli materiał izolacyjny stanie się spleśniały z powodu mokrych i wilgotnych warunków, to może zacząć przewodzić prąd elektryczny. Creepage występuje pomiędzy dwoma elementami przewodzącymi. Przewodząca ścieżka rośnie od każdej z tych części, w kierunku zwróconym do siebie, co powoduje w końcu powstanie łuku elektrycznego pomiędzy nimi. Podczas rozmieszczania ścieżek i padów, wartość CTI substratu pozwala projektantowi ustalić bezpieczną odległość upływu. Znajomość odległości upływu wpływa na to, jak blisko siebie można umieścić ścieżki i pady bez narażania się na ryzyko powstania łuku elektrycznego. Producent może też wybrać materiał o wyższym CTI, aby móc umieścić ścieżki i pady bliżej siebie.

CTI dla substratów FR4, ceramicznych i teflonowych

Substraty PCB mają różne wartości CTI, które określają ich rezystancję w długich okresach czasu. Niższa wartość CTI wskazuje na niższą odporność na wilgoć, wilgotność i inne elementy środowiskowe:

• FR-1, XPC i inne standardowe laminaty miedziane na bazie papieru: </= 150 V
• CEM-1 i CEM-3 standardowe laminaty miedziane na bazie kompozytów: 175 V do 225 V
• Zwykłe laminaty miedziane FR4 i na bazie włókna szklanego: 175 V do 225 V
• Teflon (PTFE): 600 V

Nie ma ustala się wartości CTI dla szkła, ceramiki czy innych materiałów nieorganicznych, które nie ulegają przebiciu na powierzchni podczas testów. Ponadto, mogą też istnieć warianty laminatów miedzianych i FR4, które oferują wyższe wartości CTI, takie jak teflon HVPF, lub materiały PCB, które aby zapobiec korozji i uszkodzeniom spowodowanym wysoką wilgotnością i zanieczyszczeniem, posiadają warstwę aluminium. Materiały miedziane o wysokim CTI mogą być stosowane zarówno w aplikacjach o dużym zanieczyszczeniu środowiska, jak i wysokim napięciu.

Dlaczego wartość CTI materiału laminatu jest tak istotna dla projektantów PCB?

Bezpieczeństwo elektryczne: wartość CTI wskazuje na właściwości izolacji elektrycznej materiału. Wyższa wartość CTI oznacza lepszą odporność na przepięcia elektryczne, co jest kluczowe z punktu widzenia bezpieczeństwa obwodu.

Zastosowania wysokonapięciowe: w zastosowaniach wysokonapięciowych, takich jak elektronika mocy, wyższa wartość CTI jest konieczna, aby wytrzymać duże różnice potencjałów między elementami przewodzącymi bez awarii.

Niezawodność: materiał o wysokiej wartości CTI jest mniej podatny na następującą wraz z upływem czasu degradację, co zwiększa niezawodność i trwałość PCB.

Zgodność: wiele branż ma normy i przepisy dotyczące bezpieczeństwa elektrycznego i niezawodności produktów elektronicznych. Projektowanie PCB z materiałów spełniających określone wymagania CTI zapewnia zgodność z tymi normami, takimi jak UL i CE. Branże, które mogą wymagać PCB o wysokim CTI, to poszukiwanie ropy naftowej i gazu, motoryzacja i lotnictwo.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!