FlowCAD. FlowCAD. Norbert Löhr

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1 1www.FlowCAD.de FlowCAD Norbert Löhr 27. April 2012

2 2www.FlowCAD.de NEXTRA Module ecad Cadence Allegro, OrCAD- PCB Designer Mentor Graphics Boardstation, Expedition, PADS Zuken Visula, CR-5000, CADStar STEP ecad Integration Multilayer, planare Layouts Flexibles faltbare Layouts Starrflexible faltbare Layouts 3D Schaltungsträger (MID) Luftund Kriechstrecken Analyse 3D-PCB Layout System NEXTRA Elektronik-Funktionen Netzlisten einlesen Bauelemente platzieren Leiterbahnen entflechten Design Rule Checks Bauelemente/Technologie- Bibliothek Nextra Module CAM Kopplung Mechanik-Funktionen Boolesche Operationen Digitaler Zusammenbau Kollisionschecks 3D-Visualisierung 3D-Bauelemente- Editor Multi board Design mcad Integration mcad Autodesk Inventor, AutoCAD Dassault CATIA V4,V5 PTC Pro/Engineer / Wildfire Siemens/UGS IDEAS, NX,SolidEdge STEP Plot- und Gerberausgaben Bohr- und Fräsausgaben Bestück- Programme 3D Laser- Strukturierung Industrie- Standard ODB++

3 3www.FlowCAD.de ecad / mcad Integration NEXTRA Native Datenaustausch Native Datenaustausch mcad z.b. ProE ecad z.b Allegro

4 4www.FlowCAD.de FlowCAD Warum Kriechstreckenanalyse in Nextra? Limitierung von ecad Systemen Z-DRC existiert nicht Cutouts nur graphische Information Voraussetzungen für Nextra Import der kompletten PCB Daten ecad Design Constraints (optional) Physical net classes (können auch in Nextra definiert werden)

5 5www.FlowCAD.de FlowCAD Warum Kriechstreckenanalyse in Nextra? Keine Warnungen oder DRC Anzeigen in ecad Systemen bei Kriechstreckenverstöße über die Leiterplattenkante

6 6www.FlowCAD.de FlowCAD Warum Kriechstreckenanalyse in Nextra? Cutouts sind nur grafische Informationen Cutouts werden in ecad Systemen nicht berücksichtigt Zu viele pseudo- Fehler Existieren tatsächliche Fehler?

7 7www.FlowCAD.de Kriechstreckenanalyse

8 8www.FlowCAD.de Luftstreckenanalyse

9 9www.FlowCAD.de Nextra Symbol Creator

10 10www.FlowCAD.de Kriechströme sind Leckströme, die an der Oberfläche eines Isolierstoffes bzw. über Pfade fließen, die nicht zur Leitung von Strom vorgesehen sind wobei die Kriechstrecke die kürzeste Verbindung zwischen zwei Potenzialen über eine Oberfläche bezeichnet. Die Luftstrecke beschreibt die kürzeste Entfernung in Luft zwischen zwei leitenden Teilen. Die Isolationsstrecke ist die Stärke des Isolationsmaterials und ist eine maßgebliche Größe für die Ermittlung der Durchschlagsfestigkeit E eines Isolationswerkstoffes. Isolationsstrecke

11 11www.FlowCAD.de Die Kriechstrecke beschreibt die kürzeste Verbindung zwischen zwei Potenzialen über eine Oberfläche eines Isolationsstoffes. Die Kriechstrecke kann auf der Platine durch Bohrungen/Schlitze erhöht werden. Die Kriechstrecke ist abhängig von der effektiven (!) Betriebsspannung. Einflussgrößen: - Verschmutzungsgrad - Isolierstoffgruppe - Bemessungsspannung Beispiele für die Spannung bei vorgegebener Bemessungsspannung:

12 12www.FlowCAD.de Die Kriechstromfestigkeit kennzeichnet die Isolationsfestigkeit der Oberfläche (Kriechstrecke) von Isolierstoffen, insbesondere unter Einwirkung von Feuchtigkeit und Verunreinigungen. Sie definiert den maximalen Kriechstrom, der sich unter genormten Prüfbedingungen (vorgegebene Spannung, Leitschichtmaterial) in einer definierten Prüfanordnung (Elektrodenabstand, Elektrodenform) einstellen darf. Der CTI-Wert sagt aus, bis zu welcher Spannung das Basismaterial kein Tracking (Basismaterial wird unter Spannung leitfähig) zeigt, wenn 50 Tropfen genormter Elektrolytlösungen (A oder B, dementsprechend KA- oder KB-Wert) aufgetropft werden. Gemessen wird auf der geätzten Oberfläche wobei alle 30 Sekunden ein Tropfen zwischen zwei Platin- Elektroden fällt. Ausfallkriterium ist ein Kriechstrom von >0,5 A.

13 13www.FlowCAD.de Typische CTI-Werte einiger Materialien: Phenolharz: 125 Polyimid, Kapton: 150 FR4 (Leiterplatten-Basismaterial, glasfaserverstärktes Epoxidharz): 175/250 FR4 Typ KF: 400 PE-LD, PE-HD (Polyethylen): 600 Polyesterharz: 600 PTFE (Polytetrafluorethylen): > 600 Sofern nicht explizit aus einem Datenblatt eines Herstellers ein genauerer Wert hervor geht, sollte man von 170 und damit Gruppe IIIb ausgehen, um auf der sicheren Seite zu bleiben. Die Kriechstromfestigkeit wird wesentlich durch das Wasseraufnahmevermögen und das Verhalten des Isolierstoffes bei thermischer Beanspruchung beeinflusst.

14 14www.FlowCAD.de Verschmutzungsgrad nach VDE 0110: Verschmutzungsgrad 1: Verschmutzungsgrad 2: Verschmutzungsgrad 3: Verschmutzungsgrad 4: Es liegt keine oder nur trockene, nicht leitfähige Verschmutzung vor. Die Verschmutzung hat keinen Einfluss. Es liegt nur nichtleitfähige Verschmutzung vor. Gelegentlich muss mit vorübergehender Leitfähigkeit durch Betauung gerechnet werden. Es tritt leitfähige Verschmutzung auf oder trockene, nicht leitfähige Verschmutzung, die leitfähig wird, da Betauung zu erwarten ist. Die Verschmutzung führt zu einer beständigen Leitfähigkeit, z.b. hervorgerufen durch leitfähigen Staub, Regen oder Schnee. Der Verschmutzungsgrad 3 ist für industrielle oder ähnliche Umgebungen typisch, während Verschmutzungsgrad 2 für Haushalte oder ähnliche Umgebungen typisch ist.

15 15www.FlowCAD.de Einphasige 3- oder 2-Leiter- Wechseloder Gleichspannungsnetze Dreiphasige 4- oder 3-Leiter- Wechselspannungsnetze

16 16www.FlowCAD.de Mindestkriechstrecken bei Leiterplatten: nach VDE 0110 (in V und mm), letzte Änderung von Die angegebenen Abstände sind immer Mindestabstände

17 17www.FlowCAD.de Mindestkriechstrecken bei Leiterplatten: angelehnt an die IEC60950 (in V und mm) Die angegebenen Abstände sind Mindestabstände

18 18www.FlowCAD.de Mindestkriechstrecken bei Leiterplatten: angelehnt an MIL Std 275 B (in V und mm) I - ohne Schutzüberzug bis 3048m II - ohne Schutzüberzug über 3048m III - mit Schutzüberzug bis 3048m IV - mit Schutzüberzug ab 3048m A - saubere Umgebung B - schmutzige/staubige Umgebung Als anerkannter Schutzüberzug ist in den DIN-Normen nur Epoxydharz angegeben. Lötstopplack als Schutzüberzug ist keine Isolierung. Zusätzlicher Isolierlack schadet nicht, dazu muss die Platine gründlich gereinigt und entfettet werden.

19 19www.FlowCAD.de Wissenswertes: Die Kriechstrecke kann auf der Platine durch Bohrungen/Schlitze erhöht werden. Auf den Innenlagen dürfen die Mindestkriechstrecken verkleinert werden, da diese keinerlei Verschmutzung erfahren. VDE verlangt bei Innenlagen von Leiterbahnen die Mindestkriechstrecken mit Verschmutzungsgrad 1, in Sonderfällen sogar 2, ansonsten ist eine recht aufwendige Prüfung über Wärmealterung / Temperaturwechseltests etc. durchzuführen. Luft- & Kriechstrecken dürfen durch leitfähige Teile (ohne Potentialbezug!) unterbrochen sein. Dann wird jedoch die Summe der Teilabschnitte (die Strecken ohne leitfähige Unterbrechungen) zusammen gerechnet. Für eine SICHERE elektrische Kriechstrecke durch leitfähige Teile muss jeder Teilabschnitt der gesamten Kriechstrecke entsprechen, da die leitfähigen Teile das Potential der leitfähigen, kurzgeschlossenen Verbindung übernehmen. Luft- und Kriechstrecken können paarweise auftreten. Für die Bemessung der Strecke darf entweder nur die Luft- bzw. die Kriechstrecke auf der Leiterplatte verwendet werden.

20 20www.FlowCAD.de Mindestkriechstrecken bei Leiterplatten: angelehnt an die IEC60950 (in V und mm) Die angegebenen Abstände sind Mindestabstände Potential1 200V 0,40mm Potential2 40V 0,25mm 0,04mm Potential3 80 V

21 21www.FlowCAD.de Pot C Pot A 5mm Pot B Pot A 5mm Pot B Pot C Überprüft wird: Potential A Potential B Potential A Potential C Potential B Potential C Freies Kupfer wird überprüft, Freies Kupfer verkürzt die Kriechstrecke Pot C Pot A Freier Text 5mm Fehler Pot B Pot A Pot B Pot C Fehler Anforderung Kriechstreckenabstand: Potential A zu Potential B = 5 mm Potential A zu Potential C = 1 mm Potential B zu Potential C = 1 mm

22 22www.FlowCAD.de Die Luftstrecke beschreibt die kürzeste Entfernung in Luft zwischen zwei leitenden Teilen. Einflussgrößen: - Übergangsspannungskategorie - Bemessungs-Stoßspannungen - Verschmutzungsgrad - Spannung Beispiele für die Spannung bei vorgegebener Luftstrecke:

23 23www.FlowCAD.de Bemessungs-Stoßspannungen Für die Zuordnung der Betriebsmittel zu den Überspannungskategorien sind zu berücksichtigen: Überspannungen, die von außen über die Anschlussklemmen in das Betriebsmittel eintreten. Überspannungen, die im Betriebsmittel selbst erzeugt werden und an den Anschlussklemmen auftreten. Folgende Gesichtspunkte gelten: Überspannungskategorie I (z. B. Spielzeug und Geräte vorwiegend mit Kleinspannung betrieben) Überspannungen können nicht auftreten. Überspannungskategorie II (z. B. elektrische Haushaltsgeräte) Blitzüberspannungen muss nicht berücksichtigt werden Überspannungen können durch Schaltvorgänge auftreten Überspannungskategorie III (z. B. Schutzeinrichtungen, Schütze, Schalter und Steckdosen) Blitzüberspannungen muss nicht berücksichtigt werden Besondere Anforderungen in Hinblick auf die Sicherheit und Verfügbarkeit des Geräts oder davon abhängenden Netzen besondere Anforderungen gestellt werden. Überspannungskategorie IV (Geräte zum Anschluss an Freileitungen z. B. Zähler) Blitzüberspannungen muss berücksichtigt werden.

24 24www.FlowCAD.de 1) Nach DIN VDE 0110 sind Multiplikationsfaktoren für Abstände in Abhängigkeit zur Höhe festgelegt. 2) Nachweis durch Stoßspannungsprüfung ist erforderlich, wenn die Luftstrecke kleiner ist als der für Fall A angegebene Wert. 3) Spitze gegen Platte.

25 25www.FlowCAD.de Wissenswertes: In internen Stromkreisen oder Teilen davon innerhalb eines Betriebsmittels dürfen Luftstrecken unmittelbar nach den zu erwartenden Überspannungen bemessen werden. Sind die zu erwartenden Überspannungen keine Stoßspannungen, sondern Gleich- oder Wechselspannungen, so ist als Bemessungs-Stoßspannung für Luftstrecken sowohl für das homogene als auch für das inhomogene Feld der Größtwert dieser Spannungen zu ermitteln. Die Mindestluftstrecke hängt von der Höhe über Normal-Null ab. Prinzipiell gilt, das ab ca. 2000m höhere Werte gelten.

26 26www.FlowCAD.de FlowCAD Die Isolationsstrecke ist die Stärke des Isolationsmaterials und ist eine maßgebliche Größe für die Ermittlung der Durchschlagsfestigkeit E eines Isolationswerkstoffes. Angegebene Werte stellen immer nur Richtwerte dar, da die Durchschlagsfestigkeit von weiteren Parametern, wie der genauen Zusammensetzung, der Reinheit der Werkstoffe und der Zeit der Einwirkung der Spannung abhängt. Bei Luft und anderen Werkstoffen, wie beim FR4, hängt sie insbesondere von der Feuchte ab. Isolationsstrecke Die Durchschlagfestigkeit von Basismaterial dürfte in den seltensten Fällen eine Rolle spielen. Sie beträgt bei FR-4 ca. 40 KV/mm. Auch dieser Wert sollte im Interesse der Sicherheit nicht ausgereizt werden. Meistens jedoch dürfte die Durchschlagfestigkeit in Anbetracht der Möglichkeit eines Überschlages über die Oberfläche bzw. Leiterplattenkante keine Rolle spielen.

27 27www.FlowCAD.de Durchschlagfestigkeit ausgewählter Materialien: Wissenswertes: Die Durchschlagspannung ist bei den meisten Stoffen nicht proportional zur Dicke, da es insbesondere bei Gleichspannung zu inhomogener Feldverteilung kommen kann. Die Durchschlagfestigkeit (in kv/mm oder V/mm) eines Isolators ist diejenige elektrische Feldstärke, welche in dem Material höchstens herrschen darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag (Funke) kommt. Sie wird dementsprechend auch als Durchschlagsfeldstärke bezeichnet

28 28www.FlowCAD.de Gängige Normen: MIL-Std 275 B US Standard, fürs Militär, auch oft von der US Industrie gefordert DIN EN Isolationswerte für Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen VDE 0110 zur Zeit 04.97: entspricht EN (Grundlage für die Zulassung elektrischer Betriebsmittel) Zusätzliche spezifische Normen: DIN EN Norm für Einrichtungen der Informationstechnik. Diese Norm greift teilweise bei Ermangelung anderer, spezifischerer Normen z.b. bei Schaltnetzteilen! DIN DIN DIN DIN DIN EN EN u. a. Batterieladegeräte enthält Mindestwerte für die Spannungsfestigkeit Bestimmung der Kriechstromfestigkeit Bestimmung der Durchschlagsfestigkeit Sicherheitsbestimmungen für Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte Zusammenhang zwischen Isolierstoffgruppen und CTI-Wert Begriffe und Grundsätze der Isolationskoordination

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