规则设置如何应用于我的PCB设计？- 间距规则的应用与设计详解

PCB设计中安全距离的规则是一项非常重要的关键指标。它涉及到PCB设计工艺是否美观，功能是否完善。而作为功能完善的方面考虑，也分为电气安全间距（违反该间距会造成短路等功能障碍，毁损电路板及整个产品设计），机械结构安全间距（违反该间距将造成元器件安装不上或电路板与产品外壳不匹配）。因此，基于功能完善考虑的安全空间和距离的规则需要被我们设计师透彻了解，才能在设计中考虑到这些雷区而有效进行规避。

PCB设计中都有哪些间距需要考虑？

PCB设计中有诸多需要考虑到安全间距的地方。在此，暂且归为两类：一类为电气相关安全间距，一类为非电气相关安全间距。

电气相关安全间距：

• 导线之间间距
  
  

据主流PCB生产厂家的加工能力，导线与导线之间的间距不得低于最小4mil。最小线距，也是线到线，线到焊盘的距离。从生产角度出发，有条件的情况下是越大越好，一般常规在10mil比较常见。

•   焊盘孔径与焊盘宽度
  
  

  据主流PCB生产厂家的加工能力，焊盘孔径如果以机械钻孔方式，最小不得低于0.2mm，如果以镭射钻孔方式，最小不得低于4mil。而孔径公差根据板材不同略微有所区别。一般能管控在0.05mm以内。焊盘宽度最小不得低于0.2mm。  

• 焊盘与焊盘之间的间距
  
  

       据主流PCB生产厂家的加工能力，焊盘与焊盘之间的间距不得低于0.2mm。

• 铜皮与板边之间的间距
  
  

带电铜皮与PCB板边的间距最好不小于0.3mm。如上图所示，在Design-Rules-Board outline页面来设置该项间距规则。

      如果是大面积铺铜，通常也是与板边需要有内缩距离，一般设为20mil。在PCB设计以及制造行业，一般情况下，出于电路板成品机械考虑，或者避免铜皮裸露在板边可能引起的卷边或电气短路等情况发生，工程师经常会将大面积铺铜块相对于板边内缩20mil，而不是一直将铜皮铺到板边沿。这种铜皮内缩的处理方法有很多种。比如板边绘制keepout层，然后设置铺铜与keepout的距离。此处介绍一种简便的方法，即为铺铜对象设置不同的安全距离，比如整板安全间距设置为10mil，而将铺铜设置为20mil。即可达到板边内缩20mil的效果。同时也去除了器件内可能出现的死铜。如下图所示。

非电气相关的安全间距：

• 字符宽度高度及间距
  
  

文字菲林在处理时不能做任何更改，只是将D-CODE小于0.22mm（8.66mil）以下的字符线条宽度都会加粗到0.22mm。即字符线条宽度L0.22mm(8.66mil)。而整个字符的宽度W1.0mm。整个字符的高度H1.2mm。字符之间的间距D0.2mm。当文字小于以上标准时加工印刷出来会模糊不清。

• 过孔到过孔间距（孔边到孔边）
  
  

       过孔（VIA）到过孔间距(孔边到孔边)最好大于8mil。

• 丝印到焊盘距离
  
  

丝印不允许上焊盘。因为丝印若盖上焊盘，在上锡的时候丝印处将不能上锡，从而影响元器件装贴。一般板厂要求预留8mil的间距为好。如果PCB板实在面积有限，做到4mil的间距也勉强可以接受。如果丝印在设计时不小心盖过焊盘，板厂在制造时会自动消除留在焊盘上的丝印部分以保证焊盘上锡。

      当然在设计时具体情况具体分析。有时候时故意让丝印紧贴焊盘的，因为当两个焊盘靠的很近的时候，中间的丝印可以有效防止焊接时焊锡连接短路。此种情况另当别论。

• 机械结构上的3D高度和水平间距
  
  

PCB上器件在装贴时要考虑到水平方向上和空间高度上会不会与其他机械结构有冲突。因此在设计时，要充分考虑到元器件之间，以及PCB成品与产品外壳之间，空间结构上的适配性，为各目标对象预留安全间距。该间距以保证它们在空间上不发生冲突为度自行考虑。

安全距离设计方面几个典型案例

• 铜厚，走线宽度与电流的关系  
  
  

   正常的制程下, 铜皮厚度有18um、35um、50um、70um ; 而超过70um以上的， 就属于特殊制程了。

对于铜皮厚度为150um的PCB板，称为厚铜板，主要还是靠的是电镀加镀镀铜， 铜厚度不够， 一直镀，直到镀到所要求厚度为止。即加镀处理，此工艺难度高，一般厂家不愿意制作且成本超贵，不适合大批量生产。建议：对于特大电源的模块走线，如果不是整板都需要150um时，可考虑手工加锡或另增加并联大电流铜芯导线，这种工艺方便操作，也可大批量生产。

       PCB设计时，铜箔厚度，走线宽度和电流的关系如下表。下表罗列出几种常用线宽值（2,1.5,1.2…...0.15mm）所对应的铜箔厚度规格下的电流承载值。

以上数据为一般常温25℃以下的线路电流承载值。单位换算1mm=39.37mil。1oz铜厚：将1oz铜平铺到1平方英尺上所形成的銅箔的厚度，大约为0.035mm(1.4mil)。NSI PCB走线宽度计算器参考可点击这里。

• PCB间距（Clearance）和爬电距离（Creepage）
  
  

       PCB设计趋势总是朝向尺寸减小和增加元件密度以追求体积小型化。虽然新技术和新一代元器件使这一切成为可能，但有时，特别是当高压电路与普通电路混合存在时，PCB设计师在设计中需要考虑的关键问题更为复杂。随着当前的小型化趋势，高电压系统必须放置在同一板上，并且设计者必须找到实现这些规则的解决方案。这种小型化对设计者提出了一些重大挑战，特别是对于混合技术，其中高压电路是设计的一部分，比如太阳能转换和手持医疗成像产品。在过去，通常在多板系统中将高压板设计为单独的一块板。现在，对小型化的持续驱动意味着我们没有用于多个板的空间，并且使用混合技术的设计的数量增加，其中模拟，数字和RF电路与高压电路紧密结合。这些高压电路需要以增加的电气间距和隔离的形式，附加设计规则以用于操作者的安全。

       几乎所有PCB设计软​​件工具都将所有间隔通称为间距Clearance。实际上一切在绝缘表面上的导电对象之间应用的间距，比如焊盘到焊盘，焊盘到导线，导线到导线的间隔参数，都是爬电距离，而不是我们常说的间距。通过空气在导电元件之间的间隔才是间距。毫无疑问，通用术语“间距规则（Clearance）” 将继续用于工程师的设计和EDA工具中，作为我们通常意义下的间距（不管它到底是爬电距离creepage还是间距Clearance）。但是，在高电压电路应用的场合，爬电距离和传统意义的间距还是有很大差异的，这个是设计师需要特别注意的地方。一般来说，爬电要求总是大于或等于相关的间距要求。

       在有限空间中实现混合技术设计的高压间距规则有一套当前标准。根据IEC60950标准的定义：

• PCB 间距(Clearance) ：通过空气测量的两个导电对象之间或导电部件和设备的边界表面之间的最短路径。也是我们常见并常用的间距。
• 爬电距离(Creepage)： 通过沿着绝缘材料表面测量的两个导电对象之间的最短路径。如下图所示。
  
  

    如下图为包含有绝缘屏障或电路板上加开空气槽的PCB设计例子，更能清楚明了地了解爬电距离和间距的不同。

如何解决间距不足的问题

      间距是在空气（视线）中测量的，因此在布局层面可以做到合理布局，以减少所需的间距。通过使用绝缘材料并且在可能的情况下通过双侧组装可以实现间隔的显着减小。绝缘材料可以是高压节点之间的片状屏障。由于高的部件是表面安装的，可以将需要间距的电路放置在板的相对侧上。处于相同电位的相同高电压电路内的节点通常需要注意与低电压电路间距。一种好的方法是在电路板的顶部放置高压电路，在底部放置低压电路，用于控制和监测。低压电路通常不具有高压电路所所需的边界表面（壳体）爬电要求。

如何解决爬电距离不足的问题

     我们知道，爬电距离是绝缘表面上的电节点之间的间隔。在我们的讨论中，这意味着PCB表面或内部层上的导体之间的空间。但是进一步扩展元件将受到产品包装体积的约束，因此需要有一些其他策略，在允许更高的封装密度情况下，同时满足所需的爬电距离。

上图显示了用以增加爬电距离的各种情况。

• a图表示平坦表面上的正常状态示。爬电距离是在节点之间的表面上测量的。
• b图表示V形槽可以增加节点之间的表面距离。增加的长度仅沿着凹槽测量到其减小到1mm宽度的点。
• c图表示矩形凹槽 可以进一步增加表面距离，但是宽度必须为1mm或更大。但是这样的凹槽比V形槽的加工成本更贵。
• d图表示PCB上开通槽（大于1mm宽度的槽）可以大大增加表面距离。这是增加爬电距离并且最具成本效益的最简单的方法。然而，它在一个方向上需要相当大的自由空间。
  
  

• 计算各电压等级下导线间距的标准
  
  

   PCB走线之间的适当距离对于避免电导体之间的短路至关重要。不幸的是，这个问题没有单一的解决方案。存在各种工业和安全标准，根据电压，应用和其它因素规定不同的间隔要求。这里我提供一些注意事项，帮助您确定PCB导线之间的适当距离。

      当产品必须通过某个安全机构认证时，各安全检测机构都有一系列用以满足特定的绝缘要求的标准。在这种情况下，找到所需的间距是很方便的。例如，在美国，对于大多数市电或电池供电的信息技术设备，最小允许PCB间距应根据标准UL IEC60950-1第2版表2K，2L，2M或2N确定。这些表格指定了各种绝缘等级的所谓安全间距和“爬电距离”。

      所需的等级取决于所在电路的位置。当考虑给定设计的间距和爬电要求时，要考虑污染程度和绝缘类型的组合。污染程度通常指，周围空气中或高压节点之间的表面上的灰尘，湿气和其他颗粒物质的含量。 该标准规定了功能性，基本，补充，双重和加强绝缘。这些绝缘定义相当复杂。爬电距离的标准也跟这些绝缘等级的不同而不同。如下图所示为标准IEC60950-1所要求的爬电距离。在不同电压等级下所需要的最满足的最小爬电距离。下表的数据使用与基本绝缘等级，如果是双重或者加强绝缘等级，数据需要翻倍。

例如，当击穿可能性高或接近危险电压时（例如在电源电路和低压次级电路之间绝缘的情况下），需要双重或加强绝缘。在这种情况下，要分离PCB上的这些电路，需要将相应表中的所需最小爬电距离加倍。表中以mm为单位（1 mm≈40mil）。

       对于不符合UL60950-1安全标准的产品，设计师通常参照IPC-2221标准来确定电气安全间距。它在全世界被广泛接受为用于商业和工业应用的通用PCB设计标准。IPC-2221A的表6.1规定了不同电压，高度水平和涂层所需要的最小导体间安全间距。不过IPC-2221A标准自从1998年引入后，数据几乎没有再修正过。因此其数据可作为大致参考，在实际设计中还是需要根据具体问题进行适当调整。

       最近的IPC-9592标准是用于功率转换电路，提供了线性功能间隔要求：SPACING（mm）= 0.6 + Vpeak×0.005。线性函数看起来更为直观明了。然而，经常会根据此公式算出很高的间隔数值。因此后来的修正中，采取了不同级别的参数值，来适应不同电压等级的安全距离的要求。如小于15V用0.13mm，15V和30V之间用0.25mm，30V到100V之间用0.1 + V×0.01来取代。这样计算出来的安全距离就更为合理。

       作为参考，下面的图表为三种不同标准在不同电压等级下所需安全间距的比较。其曲线应用与功能性绝缘等级。

• IPC2221A（用于PCB未经涂层coating处理）;
• IPC9592B（常用于功率转换电路）;
• UL60950（用于功能性绝缘等级，表格5B，40V/mil电气强度）。
  
  

当产品符合UL标准时，需要在UL标准中选择适当的表格。首先根据电路的位置确定绝缘等级，然后从表2K-2N中根据工作电压，污染等级，PCB材料组和涂层找到所需的最小间隔。

      如果产品不属于UL标准范畴，尽可能使用IPC-2221B（或IPC-9592B电源电路）所推荐的距离。然而，如果PCB上的空间严重不足，需要选择更小的间距，只要它仍然能够承受测试电压明显高于走线之间的峰值电压的要求即可。