Auswahl des richtigen CTI-Werts für sicherere Hochspannungs-Leiterplatten

Wichtige Erkenntnisse

• Ein höherer CTI (≥600V, Gruppe I) ermöglicht kürzere Kriechstrecken und verhindert gleichzeitig Oberflächenkriechspuren in Hochspannungsdesigns.
• Standard FR4 (CTI ~175V) ist für Netzspannung oft unzureichend – steigen Sie für Sicherheit und Kompaktheit auf Materialien mit hohem CTI um.
• Passen Sie die CTI-Materialgruppe immer an Ihre Betriebsspannung und den Verschmutzungsgrad an, um die IEC/UL-Konformität zu gewährleisten.
• Eine saubere Bestückung und gute Layout-Praktiken sind unerlässlich, um die vollen Vorteile von Hoch-CTI-Laminaten zu nutzen.
• Wählen Sie zertifizierte Hoch-CTI-Materialien und erfahrene Hersteller, um zuverlässige, zertifizierbare Leiterplatten zu gewährleisten.

Haben Sie schon einmal eine verbrannte, verkohlte Spur zwischen zwei Hochspannungs-Pads gesehen, während der Luftspalt im Schaltplan in Ordnung schien? Der dunkle, leitfähige Bereich wird als Oberflächenkriechspur (Surface Tracking) bezeichnet, und davor soll die CTI-Bewertung des Laminats schützen. Es ist eine dieser Materialeigenschaften, die niemand beachtet, bis eine Platine den Hochspannungstest nicht besteht. Wir denken alle an Kupfergewicht, Leiterbahnbreite und Impedanz, aber es ist der vergleichende Kriechstromindex (CTI) des Basismaterials, der bestimmt, wie nah zwei Leiter beieinander liegen können, ohne dass die Oberfläche selbst leitend wird.

Wählen Sie die falsche Material-Gruppe und Sie dimensionieren entweder alle Kriechstrecken unnötig über und verschwenden Platz auf der Platine, oder Sie entwerfen etwas, das in einem feuchten, staubigen Gehäuse überschlägt. Beide Ergebnisse sind schlecht. In diesem Leitfaden möchte ich auf die Bedeutung von CTI im PCB-Design eingehen, wie es gemessen wird und wie es direkt mit Kriechstrecke und Sicherheitszertifizierung zusammenhängt. Es werden gängige CTI-Werte für PCB-Basismaterialien untersucht, wo FR4 einzuordnen ist, wann ein Hoch-CTI-Laminat verwendet werden sollte und wie man zuverlässig danach entwirft und fertigt.

Was der CTI-Wert ist und warum er wichtig ist

Definition des vergleichenden Kriechstromindex und Prüfverfahren

Der vergleichende Kriechstromindex (CTI) ist die höchste Spannung (in Volt), die ein Isoliermaterial über seine Oberfläche hinweg aushalten kann, bevor sich unter verschmutzten, feuchten Bedingungen ein leitfähiger verkohlter Pfad bildet. Mit anderen Worten: Er gibt den Widerstand der Laminatoberfläche gegen Kriechspurbildung bei Vorhandensein von Schmutz und Feuchtigkeit an. Die Prüfung erfolgt nach der internationalen Norm IEC 60112. Zwei Platinelektroden werden auf die Oberfläche des Materials gesetzt, und die Spannung wird über die Elektroden angelegt. Anschließend wird in bestimmten Abständen eine leitfähige Lösung (Ammoniumchlorid) zwischen die Elektroden getropft. Die Spannung wird erhöht, bis das Material 50 Tropfen ohne Kriechspurbildung übersteht, und die überstandene Spannung ist der CTI-Wert. Hier sind einige Tipps, die Sie beachten sollten:

• CTI wird immer in Volt gemessen; je höher der CTI, desto besser der Kriechspurwiderstand.
• Der Test verwendet absichtlich Verunreinigungen und Feuchtigkeit, da dies die Bedingungen sind, unter denen Kriechspurbildung tatsächlich im Feld auftritt.
• Der PTI (Proof Tracking Index) zeigt, dass ein Material eine feste Spannung besteht, nicht aber, wo sein Maximum liegt.

Die Rolle des CTI bei der Verhinderung von elektrischen Durchschlägen

Es gibt zwei sehr unterschiedliche Arten, wie ein Hochspannungsabstand versagen kann. Erstens der Lichtbogen in sauberer Luft, den der Luftspalt kontrolliert. Die zweite ist viel heimtückischer: Oberflächenkriechspurbildung – die Verunreinigung zersetzt langsam die Oberfläche des Isolators, bis sich ein dauerhafter leitfähiger Pfad aus Kohlenstoff bildet. Kriechspurbildung erfordert keinen großen Luftspalt zum Überspringen. Es ist ein Kriechen, das von Feuchtigkeit, Staub, Flussmittelrückständen und dem elektrischen Feld lebt, und sobald der Kohlenstoffpfad gebildet ist, ist er dauerhaft und leitfähig. Dies zu vermeiden, ist der Zweck des CTI.

Ein Material mit einem hohen CTI verkohlt nicht und ermöglicht es, Leiter auf der Oberfläche näher beieinander zu platzieren, ohne eine Kriechspurfehler zu riskieren. Deshalb erfüllt CTI alle Sicherheitsanforderungen für Netzgeräte, Netzstromversorgungen und Motorantriebe. Es ist die Eigenschaft, die verhindert, dass ein staubiges, feuchtes Gehäuse Ihr Isoliermaterial allmählich in einen Leiter verwandelt.

Wie der CTI-Wert die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Leiterplatten beeinflusst

Beziehung zur Kriechstrecke und zum Isolationsdesign

Der kürzeste Abstand zwischen zwei Leitern entlang der Oberfläche des Isoliermaterials wird als Kriechstrecke bezeichnet, und der kürzeste Abstand durch die Luft wird als Luftstrecke bezeichnet. Dies ist die Oberfläche, entlang derer Kriechspurbildung auftritt, und die Abmessung, die der CTI steuert, ist die Kriechstrecke. Die wichtige Beziehung ist: Je höher das CTI-Material, desto geringer die Kriechstrecke für eine bestimmte Betriebsspannung und einen bestimmten Verschmutzungsgrad; je niedriger das CTI-Material, desto größer der Abstand zwischen den Leitern für eine bestimmte Betriebsspannung und einen bestimmten Verschmutzungsgrad. Dies wird direkt über Materialgruppen in die Tabellen der Sicherheitsnormen integriert:

• Materialgruppe I: CTI ≥ 600 V
• Materialgruppe II: 400 ≤ CTI < 600 V
• Materialgruppe IIIa: 175 ≤ CTI < 400 V
• Materialgruppe IIIb: 100 ≤ CTI < 175 V

Der Verschmutzungsgrad ist ebenso wichtig. Die allgemeine Annahme ist, dass Verschmutzungsgrad 2 (typische Innenraum-, Büroumgebungen) und Verschmutzungsgrad 3 (industriell, leitfähiger Staub, Kondensation) deutlich größere Kriechstrecken erfordern. In Normen wie IEC 62368-1 und IEC 60664-1 wird die erforderliche Kriechstrecke aus einer Tabelle abgelesen, die nach Betriebsspannung, Verschmutzungsgrad und Materialgruppe indexiert ist. Verbessern Sie die Materialgruppe, und Sie können den Abstand tatsächlich verringern.

Auswirkungen auf Hochspannungsanwendungen und Einhaltung gesetzlicher Vorschriften

Dies ist jedoch bei Niederspannungs-Logikplatinen nicht wirklich signifikant. Sobald jedoch die Netzspannung erreicht ist, wird der CTI-Wert im PCB-Design zum Torwächter für netzunabhängige Stromwandlung, EV-Ladung, Solarwechselrichter und industrielle Motorantriebe. Hier lassen die Sicherheitsbehörden wenig Raum für Spekulationen. Ihre Kriechstrecken müssen unter Verwendung der dokumentierten Materialgruppe Ihres Laminats gerechtfertigt werden und werden von Prüfern für ein UL-, CE- oder IEC-Zeichen hinterfragt. Ihr Abstandsargument ist hinfällig, wenn Ihr Hersteller keinen Nachweis über die CTI-Bewertung des Basismaterials hat. Überlegen Sie, was am meisten betroffen ist:

1. Netzunabhängige AC-DC-Netzteile (mit primärseitigen Leitern auf gleichgerichteter Netzebene).
2. Hochspannung plus schmutzige, vibrationsreiche Umgebung bei EV- und Industrieladegeräten.
3. Hohe DC-Zwischenkreisspannung, langlebige Photovoltaik-Wechselrichter für den Außeneinsatz.
4. Leitfähiger Staub und Feuchtigkeit (Verschmutzungsgrad 3) bei Motorantrieben und HLK-Steuerungen.

Gängige CTI-Werte für verschiedene PCB-Materialien

Standard FR4 und Hoch-CTI-Alternativen

Die schlechte Nachricht über normales FR4 ist, dass die meisten gängigen Qualitäten in die Materialgruppe IIIa mit einem CTI von etwa 175 V fallen. Dies ist für viele Niederspannungsanwendungen in Ordnung, aber für die Bemessung von Hochspannungsabständen eher knapp, da dies der größte in der Tabelle erforderliche Abstand ist. Wenn Sie es besser machen müssen, können Hersteller Hoch-CTI-Laminate liefern, die speziell für Kriechspurbeständigkeit entwickelt wurden und einen CTI ≥ 600 V erreichen können, was sie für die Materialgruppe I qualifiziert. Diese werden mit modifizierten Harzsystemen und Füllstoffen hergestellt, die einen viel höheren Widerstand gegen Oberflächenverkohlung aufweisen als Standard-Epoxidharz. Die folgende Tabelle zeigt den Vergleich typischer CTI-Werte und der Materialgruppe von Leiterplatten.

Es gibt ein paar Dinge zu beachten. Standard FR4 ist überall zu geringen Kosten erhältlich, benötigt aber bei hohen Spannungen viel Platz. Die Aufwertung auf Gruppe II oder Gruppe I kann Ihre erforderliche Kriechstrecke erheblich reduzieren und kann sich in einem dichten Design in Bezug auf den Platz auf der Platine lohnen.

Anpassung des CTI an Spannungspegel und Umgebungsbedingungen

Es gibt keinen einzelnen "richtigen" CTI-Wert. Die richtige Wahl wird in Abhängigkeit von Ihrer Betriebsspannung, dem Verschmutzungsgrad und dem verfügbaren Platz auf der Platine getroffen. Eine Überspezifikation kostet Geld, eine Unterspezifikation kann zu einem Kriechspurfehler oder einer Ablehnung der Zertifizierung führen. Verwenden Sie diese Faustregeln, um Materialien an die Aufgabe anzupassen:

• Niederspannung (< 50 V), saubere Umgebung: Standard FR4 (Gruppe IIIa) ist akzeptabel, CTI ist selten ein Problem.
• Netzspannung, Verschmutzungsgrad 2, großzügiger Platz verfügbar: Standard- oder mittlere FR4-Qualität kann verwendet werden, wenn die Kriechstreckentabellen dies zulassen.
• Kompaktes Design, Netzspannung: Steigen Sie auf Hoch-CTI-Material der Gruppe II oder Gruppe I um, um die Kriechstrecke legal zu verkleinern.
• Verschmutzungsgrad 3 (industriell, im Freien, staubig): Verwenden Sie Gruppe I (CTI ≥ 600), um einen handhabbaren Abstand zu gewährleisten.
• Hohe DC-Zwischenkreisspannung oder sicherheitskritisch: Gruppe I Material mit konservativem Abstand für Feldzuverlässigkeit und Sicherheitsmarge.

Design- und Fertigungsstrategien für hohe CTI-Leistung

Materialauswahl und Layout-Optimierung

Wählen Sie immer die Materialgruppe, die über Ihren Kriechstreckenanforderungen liegt, und nicht nur das Minimum. Planen Sie dann die Oberfläche so, dass sie Ihre Stärken ausspielt. Die CTI-Bewertung wird durch ein gutes Hochspannungslayout untermauert. Nützliche Layout-Tricks zur Erhöhung der realen Kriechspurbeständigkeit:

• Isolationsnuten: Das Fräsen einer Nut zwischen Hochspannungsnetzen erhöht die effektive Kriechstrecke und unterbricht physisch einen Kriechpfad.
• Lötstoppmasken-Dämme und Beschichtungen: Eine durchgehende Maske oder Konformbeschichtung schützt die Oberfläche vor Verunreinigungen, verlassen Sie sich jedoch nicht allein auf die Maske für die volle Kriechstreckenbewertung.
• Schutzleiterbahnen oder geerdete Barrieren: Das Platzieren eines geerdeten Leiters zwischen feindlichen Netzen kann Oberflächenleckströme abfangen.
• Glatte/abgerundete Führung: Keine scharfen Leiterecken, um lokale Felder zu verstärken und Kriechspurbildung zu fördern.

Es hilft auch, das Vorhandensein von Flussmittelrückständen und ionischen Verunreinigungen in Hochspannungsbereichen zu verhindern, da der CTI-Test diese Art von Verunreinigung simuliert. Die saubere Oberfläche der Platine ermöglicht es Ihrer gewählten Materialgruppe, die bewertete Leistung zu erbringen.

Prozesskontrollen zur Aufrechterhaltung der CTI-Integrität

Obwohl das Laminat mit einem garantierten CTI-Wert verkauft wird, kann die Oberflächenqualität durch unsachgemäße Verarbeitung beeinträchtigt werden. Hier kommt ein disziplinierter Hersteller ins Spiel, da der Widerstand nur auf der Platinenoberfläche liegt. Die wichtigsten Prozesskontrollen, die die CTI-Leistung beeinflussen:

1. Materialrückverfolgbarkeit: Das Material sollte das spezifizierte, zertifizierte Hoch-CTI-Laminat sein, kein Ersatz, und die Materialgruppe sollte dokumentiert werden.
2. Saubere Oberflächenvorbereitung: Restliche Ätzchemie, ionische Verunreinigungen oder schlechte Reinigung verringern den Oberflächenisolationswiderstand.
3. Kontrolle der Lötstoppmasken-Applikation: Gut ausgehärtete Lötstoppmaske mit guter Haftung und ohne eingeschlossene Verunreinigungen.
4. Endreinigung und Ionenprüfung: Flussmittelentfernung nach der Bestückung und Salzentfernung durch Ionenprüfung halten die Oberfläche so sauber, wie es der CTI-Test annimmt.

JLCPCBs Fachwissen in der Hoch-CTI-Leiterplattenproduktion

Große Auswahl an zertifizierten Hoch-CTI-Materialien

Heutige Leiterplattenhersteller wie JLCPCB führen eine große Auswahl an qualifizierten PCB-Basismaterialien, darunter basisches FR4 und Hoch-CTI-Materialien bis hin zu den höheren Materialgruppen, die zur Unterstützung von Netzspannungs- und Hochspannungsdesigns erforderlich sind. Mit verfügbaren zertifizierten Optionen können Sie den CTI-Wert für Ihr PCB-Design angeben, um Ihre Kriechstreckenanforderung zu erfüllen, ohne nach Dokumentation suchen zu müssen. Wenn es um die Sicherheitsprüfung geht, sind genau diese Materialdaten das, was die Sicherheitsprüfer verlangen werden, und wenn Sie sie von einem Hersteller erhalten, der sie bereits hat, wird ein häufiges Zertifizierungshindernis aus dem Weg geräumt.

Um diese Prinzipien umzusetzen, ist der Übergang von einem Prototyp (schon ab 2 $) zur Serienfertigung mit konsistentem zertifiziertem Laminat, Kriechstrecke und Oberflächenintegrität mit den Fertigungsdienstleistungen von JLCPCB sehr einfach. Die Durchlaufzeit beträgt nur 1-2 Tage, Unterstützung für SMT-Bestückung, die von Ihnen gewählte Sicherheitsgrundlage ist vom ersten Muster bis zur Massenproduktion stabil.

Erweiterte DFM-Unterstützung für Hochspannungsdesigns

Nur wenn die Abstände stimmen, zahlt sich das Hoch-CTI-Laminat aus, und hier helfen die automatisierten Design-for-Manufacturability (DFM)-Prüfungen. Die DFM-Bewertung von JLCPCB hilft, Luft- und Kriechstrecken zu erkennen, Hochspannungsabstandsprobleme frühzeitig zu erkennen und Probleme mit Nutfräsungen und Maskenabdeckung zu identifizieren. Ein Vergleich eines Standard-FR4-Layouts mit einer Hoch-CTI-Version kann dank sofortiger Angebotserstellung und EasyEDA-Integration früh im Designprozess durchgeführt werden, bevor die Änderung der Materialgruppe teuer und schmerzhaft wird. Wiederholbarkeit ist das entscheidende Maß für jede CTI-Strategie. Die Prototypenplatine, die den Hochspannungs- und Kriechspurprüfungen standhält, wird über Tausende von Einheiten hinweg die gleiche Sicherheitsmarge aufweisen.

Fazit

Der CTI-Wert ist ein stiller Beschützer der Hochspannungs-Platinensicherheit. Er bestimmt die Fähigkeit Ihres Basismaterials, Oberflächenkriechspurbildung zu widerstehen, gibt die Kriechstrecken vor, die Sie in Ihrem Platinendesign einhalten müssen, und bestimmt letztendlich, ob Ihre Platine für ihr Sicherheitszeichen in Frage kommt. Eine der einfachsten Methoden, eine Zertifizierung nicht zu bestehen, von der Sie sicher sind, dass Sie sie in der Tasche haben, ist, sie wie eine Nebensächlichkeit zu behandeln. Der bessere Weg ist, rückwärts zu rechnen: Geben Sie zuerst Ihre Betriebsspannung und Ihren Verschmutzungsgrad an, wählen Sie dann die Materialgruppe, die mit der Kriechstreckentabelle und dem verfügbaren Platz konform ist. Mit zunehmenden Leistungsdichten und Hochspannungselektronik in EVs, Solar- und Industriesystemen wird es noch wichtiger, den CTI-Wert richtig zu ermitteln. Wählen Sie ein Material gezielt aus und arbeiten Sie mit einem Unternehmen zusammen, das es nachweislich und konsistent herstellen kann, und Hochspannungsplatinen bleiben von der ersten Lage an sicher.

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FAQ zum CTI-Wert

F: Was ist ein CTI-Wert bei einer Leiterplatte?

Der CTI-Wert ist der vergleichende Kriechstromindex des Laminats, die maximale Spannung in Volt, die die Materialoberfläche unter feuchten, verschmutzten Bedingungen aushalten kann, ohne einen leitfähigen verkohlten Pfad zu bilden. Ein höherer CTI bedeutet einen besseren Widerstand gegen Oberflächenkriechspurbildung, was für Hochspannungsplatinen entscheidend ist.

F: Wie wird der CTI-Wert eines Leiterplattenmaterials gemessen?

Er wird gemäß der Norm IEC 60112 gemessen, bei der zwei Platinelektroden Spannung über die Materialoberfläche anlegen, während eine Ammoniumchloridlösung zwischen sie getropft wird. Die Spannung, die 50 Tropfen ohne Kriechspurbildung übersteht, wird zum bewerteten CTI-Wert, ausgedrückt in Volt.

F: Welchen CTI-Wert hat Standard-FR4?

Die meisten Standard-FR4-Qualitäten fallen in die Materialgruppe IIIa mit einem CTI-Wert um 175 V. Dies ist für Niederspannungsarbeiten ausreichend, erzwingt aber die größten Kriechstrecken in Sicherheitstabellen, sodass Hochspannungsdesigns oft Hoch-CTI-Laminate mit einer Bewertung von 600 V oder mehr (Gruppe I) benötigen.

F: Wie hängt CTI mit der Kriechstrecke zusammen?

Die Kriechstrecke ist der kürzeste Abstand zwischen Leitern entlang der Oberfläche, und Kriechspurbildung findet entlang dieser Oberfläche statt, daher steuert CTI sie direkt. Ein Material mit höherem CTI ermöglicht kürzere Kriechstrecken bei gleicher Betriebsspannung und gleichem Verschmutzungsgrad, sodass Sie sicher kompaktere Hochspannungslayouts erstellen können.

F: Wann benötige ich ein Hoch-CTI-Leiterplattenmaterial?

Sie benötigen Hoch-CTI-Material bei Arbeiten mit Netzspannung, EV-Ladung, Solarwechselrichtern oder Motorantrieben, insbesondere in staubigen oder feuchten Umgebungen mit Verschmutzungsgrad 3. Es ist auch unerlässlich, wenn kompakte Abstände oder UL-, CE- und IEC-Zertifizierungen verlangen, dass Sie die Kriechstrecke unter Verwendung einer dokumentierten Materialgruppe rechtfertigen.

Fazit

Die Auswahl des richtigen CTI-Werts ist eine der kritischsten und dennoch oft übersehenen Entscheidungen im Hochspannungs-Leiterplattendesign. Eine angemessene CTI-Bewertung schützt Ihre Platine vor Ausfällen durch Oberflächenkriechspurbildung, ermöglicht kompakte Layouts und stellt die Einhaltung strenger Sicherheitsnormen wie IEC 62368-1 und UL sicher.

Ob Sie nun netzunabhängige Netzteile, EV-Ladegeräte, Solarwechselrichter oder industrielle Motorantriebe entwerfen, die Abstimmung Ihrer Materialgruppe (insbesondere Gruppe I mit CTI ≥ 600 V) auf Ihre Betriebsspannung und Ihren Verschmutzungsgrad kann sowohl die Sicherheit als auch die Platzeffizienz drastisch verbessern.

Bei JLCPCB bieten wir eine breite Palette zertifizierter Hoch-CTI-Laminate, professionelle DFM-Prüfungen für Kriech- und Luftstrecken sowie eine gleichbleibende Fertigungsqualität vom Prototyp bis zur Massenproduktion. Überlassen Sie die Sicherheit Ihres Hochspannungsdesigns nicht dem Zufall.