製品の動作に関してはオーバーヘッドであるという事実にもかかわらず、安全要件はあらゆる電子機器に適用されます。 追加の回路ソリューションと電子部品を使用する必要があり、プリント回路基板のトポロジが複雑になり、製品の質量寸法パラメーター、テスト量が増加し、その結果、コストと市場投入までの時間が増加します。 プロトタイプまたはデバイスのプロトタイプを開発する場合にのみ、機能のみを制限できます。 残念ながら、現時点では、顧客に到達するのが簡単な状況（過去の認証センター）で、コストを削減し、テストを節約することで、電子製品は信頼性だけでなく安全性も失いつつあります。
気体および固体の絶縁破壊の理論の基礎
誘電体には電気的強度があります。特定の電界強度で絶縁破壊が発生します。 ガスでは、特定の温度および平均圧力値での球状電極の絶縁破壊電圧は、パッシェンの法則によって記述されます。
ここで、pは圧力、aとbはガスに依存する実験定数です。 図 図1は、温度20°Cで相対湿度60％の乾燥空気のパッシェン曲線を示しています。パッシェン曲線には最小値があることに注意してください。 圧力の増加は、密度の増加と衝突の可能性の増加につながりますが、平均自由行程を減少させ、結果として粒子エネルギーを減少させます。 これにより、グラフの右側の高圧領域で絶縁破壊電圧が増加します。 低い値では、破壊メカニズムは平均自由行程と電極間の距離の比率に依存します。 通常の大気圧での空気の電気的強度は3.1 kV / mmであり、温度と圧力降下の増加とともに低下します。 控えめな見積もりとして、電気絶縁を設計する場合、通常1〜1.5 kV / mmの値が使用されます。
固体誘電体の場合、固有の電気的強度の概念が導入されます-自由電子または価電子が十分なエネルギーを獲得して原子または束縛電子と衝突したときに新しい伝導電子が形成され、絶縁破壊に至る均質材料の電界強度の最小値 この値は温度に依存し、一部の材料では数MV / mmに達する可能性があり、電気的強度の理論的限界です。 実際には、絶縁破壊は電界強度の非常に低い値で発生します。 この主な理由は次のとおりです。
- 材料の不均一性（機械的微小損傷、材料内部の汚染と空洞、放射線による原子格子の損傷、化学反応の結果としての特性の変化）;
- ほとんどの場合、材料の境界（表面汚染、表面および境界層の水分）に沿った、亀裂に沿った破壊のバイパスパスの存在。
- 経時的な材料の老化-高温の条件を含む、これらの効果の蓄積。
材料の大部分にリストされている不均一性は、電界強度の集中器として機能し、部分的な故障につながります（図2）。 そのような故障の結果として、誘電体は徐々に破壊され、完全な故障に至る可能性があります。
表面上の水分または汚染物質の存在は、導電性チャネルの形成につながる可能性があり、弱い導電性であっても等電位表面を作成し、電極間の実際のギャップを減少させ、それによって破壊につながります。
確率的要素を含む、多数の外部要因に依存する複雑な物理現象の複合体全体が、誘電体の絶縁破壊を引き起こします。 したがって、分析および計算モデルは、最も単純な場合にのみ構築できます。 実際には、設計は規格の要件に基づいて行われ、実際の動作条件に近い条件下で絶縁試験を実施し、可能であれば、絶縁の安全性を確保する必要があります。 電気破壊メカニズムの理論的基礎を理解することにより、標準の推奨事項との妥協点に直面した場合に意思決定を行うことができます。
新しいセキュリティ標準
電子機器の各グループには、独自の電気安全基準があります。 現在の安全規格は62368-1で、古い規格60950-1と60065を置き換えて組み合わせています。この規格は、その前身とは異なり、非常に体系的で構造化されており、研究に推奨されます。 また、ガルバニック絶縁の推奨事項は、IPC規格で指定されています。プリント回路基板IPC2221の設計に関する一般規格と、電圧コンバータIPC9592の規格です。
62368-1のセキュアシステムの基本モデルは非常に単純に見えます（図3）。 一般に、痛みや怪我を引き起こす可能性のあるエネルギー（電気、化学、運動、熱など）の移動に対する保護メカニズムには、次のものがあります。
- エネルギー伝達のレベルまたは速度の減衰;
- エネルギーのリダイレクト。
- 電源オフ。
- エネルギー源とユーザーの間に障壁を作ります。
同時に、標準の保護は、技術的な保護（ユーザー保護の個々の手段を含む）だけでなく、組織的な対策としても理解されています。 安全性の観点から最も優先されるのは、機器の一部である技術的手段です。これは、ユーザーの行動に対する要件を最小限に抑えるためです。
危険に応じて、エネルギー源は3つのクラス（セクション4.2）に分けられ、各クラスは機器のユーザーのタイプに応じて、独自の最小保護レベルを持っています。 平均的なユーザーの場合、これは次のとおりです。
- 基本的な保護（ハザードクラス2用）-通常および異常な動作状態での安全性を確保し、
- 追加の保護（クラス3用）-メインの保護に加えて使用され、誤動作の場合に保護を提供します。
- 強化された保護（クラス3）-通常および異常な動作条件（電源の逆極性など）での安全性と、単一の障害（絶縁破壊など）の場合の安全性を確保します。
クラス1ソースの場合、保護は許可されません。 この規格では、電源とユーザーの間だけでなく、さまざまな危険クラスの電気エネルギー源の間にも保護絶縁が必要です（規格の表12）。
ソースの分類は、標準のセクション5.2で説明されています。 出力電圧が60 Vを超えるDC電源は危険であると定義されており、絶縁が必要です（図4）。 同じ電圧レベルは、単一パルスと、容量が300 nFを超えるコンデンサでは危険であると見なされ、容量が減少すると、要件は減少します（4 nFの場合、これは既に1 kVです、標準の表7を参照）。 AC電源の場合、しきい値は30 V rms電圧です。
クラス2および3の電気エネルギー源が電子デバイスの動作に使用される場合、それに含まれるプリント回路基板を設計するとき、最小クリアランス（クリアランス）および沿面距離（使用される材料およびコンポーネント）の要件を遵守する必要があります。 プリント回路基板は、付録G「コンポーネント」の別のセクションG.18に記載されています。これには、一般セクション5.4.2「クリアランス」および5.4.3「沿面距離」へのリンクが含まれています。
最小クリアランスと沿面距離を選択するときは、電圧値だけでなく、動作条件と誘電体材料からも進める必要があります（図5）。 空隙の破壊は圧力の影響を受けるため、この規格では、海抜2000 m以上の標高の増加要因が導入されています（規格の表22）。 さらに、作業環境の3つの汚染度が決定されます。 汚染度が高いほど、導体間の距離を大きく確保する必要があります。
最小漏れ経路の値に影響を与えるもう1つのパラメーターは、表面の絶縁破壊に対する耐性の観点からの材料のグループです。 IEC 60112規格では、条件付きCTIインデックス（英語の比較トラッキングインデックス）の値に応じて、誘電体材料を4つのグループに分けています。 CTI値が高いほど、絶縁破壊抵抗が高くなり、許容される最小リークパス値が低くなります（セテリスパリバス）。 CTI〜175 ... 200の標準ファイバーグラスFR4はグループIIIbの値の境界にあります。汚染度3および630 Vを超えるrms電圧値での使用は推奨されません。
最小クリアランスと沿面距離の選択に影響するパラメータが決定されると、標準の表17-19、23、G.12を使用して値自体が決定されます。 これらの最小距離は、それらの間に対応する電圧がある場合、すべての導体に対して維持する必要があります。一次回路、一次回路と二次回路の間、および二次回路。 表1は、汚染度2の条件で220 Vの主電源カテゴリIIで駆動するデバイスの一部であるプリント回路基板の最小クリアランスと沿面距離を示しています。
外部層の場合、値はコーティングの存在に依存しますが、標準マスクは特殊な絶縁コーティングではなく、ギャップの要件を緩和する可能性を提供しないことに留意する必要があります。 マスクの厚さは不均一で、そのような絶縁の信頼性を低下させる空洞や亀裂が含まれている場合があります。
内側の層については、隣接する層の導体の最小ギャップは、単層（英語の固体絶縁）単層絶縁では0.4 mmであり、1つの層の導体では、絶縁は接着接合（英語の接合部）と見なされます。 規格によれば、このような絶縁には、汚染度2の最小クリアランスと沿面距離の値、汚染度1の値、または0.4 mmの連続絶縁のギャップを使用できます。 さらに、最後の2つのケースでは、規格は熱サイクルおよび電気強度テストを含むテストを必要とします。 実際には、熱、機械的ストレスの結果、またはプリント回路基板の隣接する層の分離に沿って時間が経つとギャップが生じる可能性があります（信頼性の高いアプリケーションを考慮する必要があります）。 そして、0.4 mmの距離では、高電圧絶縁を提供するには不十分な場合があります。
ほとんどの場合、層間の絶縁を介した距離の要件は最小限であることに注意する価値があります。したがって、サイズが制限されたプリント回路基板を設計するための戦略の1つは、絶縁された導体とコンポーネントを異なる層に分離することです。
製品のコンポーネントや構造要素が存在するとタスクが3次元になるため、プリント回路基板のトポロジを設計するときに標準で必要な距離を遵守するだけでは不十分な場合があります。 したがって、コンポーネントの3Dモデルと製品の一般的なアセンブリの使用は、危険な電圧レベルの製品を設計するための前提条件です。
製品の構造要素だけでなく、プリント回路基板上のコンポーネントの存在を考慮して、規格で要求される最小距離をあらゆる方向に維持する必要があります。
最小距離の要件を満たすことに加えて、高電圧アプリケーション用のプリント回路基板を開発する場合、導電層の形状の鋭い角を避けることをお勧めします（図6）。これらは電界強度の集中器であるためです。
EMCの観点から見ると、絶縁バリアは戻り電流の経路のギャップであり、特に絶縁された電源の場合、特別な対策を講じなければ、放射レベルが増加します。 支持層の不連続の場合と同様に、コンデンサを使用して、戻り電流が絶縁バリアを通過するための経路を提供します。 ディスクリートコンデンサの要件とその適用例については、規格の付録G「コンポーネント」のセクションG.15で説明しています。 危険な電圧レベルの分離では、クラスYコンデンサのみが使用され、その故障は開回路につながります。220V AC電圧過電圧クラスIIの場合、これはサブクラスY1の1つのコンデンサまたはサブクラスY2の2つの直列接続コンデンサです。 このようなコンデンサの安全性はメーカーによって保証されていますが、接続の寄生インダクタンスと局所的な位置により、100 MHzを超える周波数での有効性が制限されます。 この欠点により、回路基板に組み込まれた容量が奪われ、内層の2つの重なり合うポリゴン間に分散されます（図7）。
導体間の最小距離に関する標準の推奨事項に完全に準拠しても、電気の安全性が保証されないことを理解することが重要です。 電気的強度の絶縁テストの結果（規格のセクション5.4.11）のみが、プリント基板のトポロジ、使用される材料とコンポーネント、製品設計、およびその製造技術が特定のアプリケーション条件の安全要件に適合していることを確認できます。
この本および以前の出版物の拡張されたより詳細なバージョンは、この本の完全版の新しいリリースに含まれています。 #SamsPcbGuideプロジェクトは、フィードバック（ポジティブとネガティブの両方）を含む開発中であるため、建設的な批判に感謝します。 みなさん、幸運を祈ります（安全性は幸運に依存せず、すべてが厳密に標準に準拠しています）！