高電圧PCBの安全性を高めるための適切なCTI値の選び方

重要なポイント

• 高いCTI（≥600V、グループI）により、高電圧設計において表面トラッキングを防止しながら、より短い沿面距離を実現できます。
• 標準的なFR4（CTI約175V）は、多くの場合、主電源電圧には不十分です。安全性とコンパクト性を高めるために、高CTI材料にアップグレードしてください。
• IEC/ULに準拠するには、CTI材料グループを作業電圧と汚染度に常に適合させてください。
• 高CTI積層板の利点を最大限に活かすには、クリーンな組立てと適切なレイアウト設計が不可欠です。
• 信頼性が高く認証可能なPCBを確保するために、認証済みの高CTI材料と経験豊富なメーカーを選んでください。

激しい話ですが、回路図上ではエアギャップが問題ないように見えるのに、2つの高電圧パッド間に焦げた炭化したトラックが形成されるのを目撃したことはありませんか？この暗い導電性の領域は表面トラッキングと呼ばれ、積層板 のCTI定格が防ぐべきものです。これは、基板が高電圧テストに不合格になるまで誰も考慮しない材料特性の一つです。私たちは皆、銅の厚さ、配線幅、インピーダンスについて考えますが、2つの導体を表面自体が導通することなくどれだけ近づけられるかを決定するのは、基材の比較トラッキング指数（CTI）なのです。

誤った 材料グループを選択すると、すべての沿面距離を不必要に大きくして基板スペースを無駄にするか、あるいは、湿気やほこりの多い筐体内でアーク放電を起こすような設計になってしまいます。どちらの結果も良くありません。このガイドでは、PCB設計におけるCTIの意味、その測定方法、そして沿面距離や安全認証にどのように直接関係するのかについて詳しく説明します。PCB基材における一般的なCTI値、FR4の位置づけ、高CTI積層板を使用すべき場合、そしてそれに基づいて確実に設計・製造する方法について検討します。

CTI値とは何か、そしてなぜ重要なのか

比較トラッキング指数の定義と試験方法

比較トラッキング指数（CTI）とは、汚染された湿潤状態下で、絶縁材料の表面に導電性の炭化経路が形成されるまでに耐えられる最高電圧（ボルト単位）です。言い換えれば、汚れや湿気が存在する場合の、積層板表面のトラッキングに対する耐性を示します。試験はIEC 60112国際規格の方法に従って行われます。2つの白金電極が材料の表面に配置され、電極によって電圧が印加されます。そして、導電性溶液（塩化アンモニウム）が特定の間隔で電極間に滴下されます。材料がトラッキング故障を起こさずに50滴に耐えるまで電圧が上昇され、その耐えた電圧がCTI定格となります。留意すべき点をいくつか挙げます：

• CTIは常にボルトで測定されます。CTIが高いほど、トラッキング耐性が優れています。
• この試験は、実際に現場でトラッキングが発生する状況であるため、意図的に汚染と湿気を利用します。
• PTI（保証トラッキング指数）は、材料が最大値ではなく、固定電圧で合格することを示します。

絶縁破壊防止におけるCTIの役割

高電圧ギャップが故障するには、大きく異なる2つの経路があります。1つ目は、クリアランス距離で制御される清浄な空気中のアーク放電です。2つ目は、はるかに厄介な表面トラッキングです。これは、汚染物質が絶縁体の表面を徐々に劣化させ、最終的に永久的な炭素の導電経路を形成する現象です。トラッキングは大きなエアギャップを飛び越える必要はありません。これは、湿度、ほこり、フラックス残渣、電界を糧に進行する這い現象であり、一度炭素経路が形成されると、それは永久的で導電性を持ちます。これこそがCTIが存在する理由です。

高いCTIを持つ材料は炭化しにくく、トラッキング故障を招くことなく、導体を表面でより近接して配置することを可能にします。そのため、CTIは主電源機器、主電源電源、モーターパワードライブのすべての安全要件を満たします。これは、ほこりや湿気の多い筐体内で、絶縁材料が徐々に導体に変わるのを防ぐ特性です。

CTI値がPCBの安全性と信頼性に与える影響

沿面距離および絶縁設計との関係

絶縁材料の表面に沿った2つの導体間の最短距離を沿面距離（クリーページ）と呼び、空気中の最短距離を空間距離（クリアランス）と呼びます。トラッキングが発生するのはこの表面に沿った経路であり、CTIが制御する寸法は沿面距離です。重要な関係は次の通りです：CTIが高い材料ほど、特定の動作電圧と汚染レベルに対して必要な沿面距離が短くなり、CTIが低い材料ほど、特定の動作電圧と汚染レベルに対して導体間の距離を大きくする必要があります。これは、材料グループを介して安全規格の表に直接組み込まれています：

• 材料グループI： CTI ≥ 600 V
• 材料グループII： 400 ≤ CTI < 600 V
• 材料グループIIIa： 175 ≤ CTI < 400 V
• 材料グループIIIb： 100 ≤ CTI < 175 V

汚染度も同様に重要です。一般的な想定では、汚染度2（標準的な屋内、オフィスグレードの環境）と汚染度3（産業環境、導電性粉塵、結露）では、必要な沿面距離が大幅に異なります。IEC 62368-1やIEC 60664-1などの規格では、必要な沿面距離は、動作電圧、汚染度、材料グループによってインデックス化された表から読み取られます。材料グループを向上させれば、実際にギャップを狭めることができます。

高電圧アプリケーションと規制準拠への影響

しかし、これは低電圧ロジック基板ではそれほど重要ではありません。しかし、主電源電圧に達すると、 PCB設計におけるCTI値は、オフライン電源変換、EV充電、太陽光発電インバータ、産業用モータードライブにとっての関門となります。ここでは、安全認証機関は推測の余地をほとんど残していません。沿面距離は、使用する積層板の文書化された材料グループを使用して正当化する必要があり、UL、CE、またはIECマークを取得するための審査員から質問されます。製造業者が基材のCTI定格の証明を持っていなければ、あなたの間隔に関する主張は無効になります。最も影響を受けるものを考えてみてください：

1. オフラインAC-DC電源（整流された主電源レベルの1次側導体があるもの）。
2. 高電圧に加え、汚れた振動環境でのEVおよび産業用充電器。
3. 高DCバス電圧、長期間の屋外使用を想定した太陽光発電インバータ。
4. 導電性粉塵と湿気（汚染度3）が存在するモータードライブおよびHVAC制御装置。

さまざまなPCB材料における一般的なCTI値

標準FR4と高CTI代替材料

通常のFR4に関する悪いニュースは、一般的なグレードの大部分が材料グループIIIaに分類され、CTIが約175 Vであることです。これは多くの低電圧アプリケーションには問題ありませんが、高電圧の間隔を確保するには余裕がなく、表の中で最も大きな間隔が必要となります。より良い性能が必要な場合、製造業者は、トラッキング耐性のために特別に作られた高CTI積層板を供給でき、CTI ≥ 600 Vを達成し、材料グループIとして認定されます。これらは、標準的なエポキシと比較して表面炭化に対する耐性がはるかに高い、改良された樹脂システムとフィラーを使用して作られています。以下の表は、PCBの一般的なCTI値と材料グループの比較を示しています。

注意すべき点がいくつかあります。標準FR4はどこでも低コストで入手可能ですが、高電圧では多くのスペースを必要とします。グループIIまたはグループIにアップグレードすると、必要な沿面距離を大幅に削減でき、高密度設計において基板スペースの点で価値があるかもしれません。

CTIを電圧レベルおよび環境条件に適合させる

「正しい」CTI値というものはありません。適切な選択は、動作電圧、汚染度、利用可能な基板スペースによって異なります。過剰に指定するとコストがかかり、過小に指定するとトラッキング故障や認証拒否につながる可能性があります。材料を目的に合わせるには、以下の経験則を使用してください：

• 低電圧（< 50 V）、清浄な環境： 標準FR4（グループIIIa）で許容可能。CTIはほとんど問題になりません。
• 主電源電圧、汚染度2、十分なスペースが利用可能： 沿面距離表が許せば、標準またはミッドグレードのFR4を使用できます。
• コンパクト設計、主電源電圧： 法的に沿面距離を縮小できるよう、グループIIまたはグループIの高CTI材料にステップアップします。
• 汚染度3（産業、屋外、粉塵）： 管理可能な間隔を維持するために、グループI（CTI ≥ 600）を使用します。
• 高DCバスまたは安全重視： 現場での信頼性とマージンのために、グループI材料と保守的な間隔を使用します。

高CTI性能を実現するための設計および製造戦略

材料選定とレイアウト最適化

常に、沿面距離要件の最低限ではなく、それを上回る材料グループを選択してください。次に、表面が強みを発揮できるように計画します。CTI定格は、適切な高電圧レイアウトによって裏付けられます。実際のトラッキング耐性を高めるための便利なレイアウトのコツ：

• 絶縁スロット： 高電圧ネット間にスロットをフライス加工することで、実効的な沿面距離を延ばし、物理的にトラッキング経路を遮断します。
• ソルダーマスクダムとコーティング： 連続したマスクまたはコンフォーマルコーティングを使用して表面を汚染から保護しますが、沿面距離の全定格をマスクのみに依存しないでください。
• ガードトレースまたは接地バリア: 危険なネット間に接地された導体を配置することで、表面漏れ電流を遮断できます。
• 滑らか/丸みを帯びた配線： 局所的な電界を強めてトラッキングを促進する鋭い導体コーナーを避けます。

また、CTI試験がその種の汚染をシミュレートしているため、高電圧領域におけるフラックス残渣やイオン性汚染の存在を防ぐのにも役立ちます。基板表面が清浄であれば、選択した材料グループが定格性能を発揮できます。

CTIの完全性を維持するためのプロセス管理

積層板は保証されたCTI値で販売されていますが、不適切な処理によって表面品質が損なわれる可能性があります。ここで、規律ある製造業者が介入します。なぜなら、耐性は基板表面にのみ存在するからです。CTI性能に影響を与える主要なプロセス管理：

1. 材料トレーサビリティ： 材料は指定された認証済みの高CTI積層板であり、代替品ではなく、材料グループが記録されている必要があります。
2. 清浄な表面処理： 残留エッチング薬品、イオン性汚染、または不十分な洗浄は、表面絶縁抵抗を低下させます。
3. ソルダーマスク塗布管理： 密着性が良く、汚染物質を閉じ込めていない、適切に硬化されたソルダーマスク。
4. 最終洗浄とイオン性試験： 組立て後のフラックス除去とイオン性試験による塩類の除去により、CTI試験で想定された清浄な表面を維持します。

JLCPCBの高CTI PCB製造における専門知識

認定された高CTI材料の幅広い選択肢

今日のPCBメーカー、例えばJLCPCBは、基本的なFR4から、主電源電圧や高電圧設計をサポートするために必要なより高い材料グループまでの高CTI材料を含む、幅広い認定PCB基材を取り揃えています。認定されたオプションが利用可能なため、 PCB設計のCTI値を指定して沿面距離要件を満たすことができ、書類を慌てて探す必要はありません。安全性審査の際に、安全審査員が求めるのはまさにその材料データであり、それを既に持っている製造業者から入手することで、一般的な認証のハードルを取り除くことができます。

これらの原則を実装するために、プロトタイプ（2ドルから）から、一貫した認定積層板、沿面距離、表面の完全性を備えた本格的な量産まで拡大することは、JLCPCBの製造サービスを利用すれば非常に簡単です。納期は最短1〜2日、SMTアセンブリもサポートしており、選択した安全基盤は初回品から量産まで安定しています。

高電圧設計のための高度なDFMサポート

間隔が正しい場合にのみ、高CTI積層板にコストをかける価値があり、ここで自動化された設計製造性（DFM）チェックが役立ちます。JLCPCBのDFM評価は、クリアランスと沿面距離を検出し、高電圧の間隔問題を早期に発見し、スロット配線の問題やマスク被覆の問題を特定するのに役立ちます。標準FR4レイアウトと高CTIバージョンの比較は、材料グループの変更が高価で困難になる前に、即時見積もりとEasyEDA統合のおかげで設計プロセスの初期段階で行うことができます。再現性は、あらゆるCTI戦略の重要な尺度です。耐電圧試験とトラッキング要件に合格したプロトタイプ基板は、数千ユニットにわたって同じ安全マージンを持ちます。

結論

CTI値は、高電圧基板の安全性を静かに守る存在です。これは、基材が表面トラッキングに耐える能力を決定し、基板設計で遵守すべき沿面距離を決定し、最終的には基板が安全マークの資格を得られるかどうかを決定します。確実に取得できると思っていた認証に失敗する最も簡単な方法の一つは、これを後回しにすることです。より良い方法は、逆算して計算することです。まず動作電圧と汚染度を指定し、次にスペースに余裕を持って沿面距離表に準拠する材料グループを選択します。EV、太陽光、産業システムにおける電力密度の増加と高電圧電子機器の普及に伴い、CTI値を正しく取得することはさらに重要になります。意図的に材料を選択し、それを一貫して証明・製造できる企業と提携することで、高電圧基板は最初の層から安全を保ちます。

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CTI値に関するFAQ

Q: PCBにおけるCTI値とは何ですか？

CTI値は積層板の比較トラッキング指数であり、湿潤・汚染条件下で材料表面が導電性の炭化経路を形成せずに耐えられる最大電圧（ボルト）です。CTIが高いほど表面トラッキングに対する耐性が優れており、これは高電圧基板にとって重要です。

Q: PCB材料のCTI値はどのように測定されますか？

IEC 60112規格に従って測定され、2つの白金電極が材料表面に電圧を印加し、その間に塩化アンモニウム溶液が滴下されます。トラッキングを起こさずに50滴に耐えた電圧がCTI定格値（ボルト単位）となります。

Q: 標準的なFR4のCTI値はいくつですか？

ほとんどの標準的なFR4グレードは材料グループIIIaに分類され、CTI値は約175 Vです。これは低電圧用途には十分ですが、安全規格の表では最大の沿面距離を必要とするため、高電圧設計では多くの場合、600 V以上（グループI）の高CTI積層板が必要です。

Q: CTIは沿面距離とどのように関係しますか？

沿面距離は導体間の表面に沿った最短距離であり、トラッキングはその表面に沿って発生するため、CTIは直接的にこれを支配します。CTIが高い材料ほど、同じ動作電圧と汚染度に対してより短い沿面距離で済み、よりコンパクトな高電圧レイアウトを安全に構築できます。

Q: いつ高CTI PCB材料が必要ですか？

主電源電圧、EV充電、太陽光発電インバータ、モータードライブを扱う場合、特に粉塵や湿気の多い汚染度3の環境では、高CTI材料が必要です。また、コンパクトな間隔が必要な場合や、UL、CE、IEC認証において文書化された材料グループを使用した沿面距離の正当性が求められる場合にも不可欠です。

結論

適切なCTI値を選択することは、高電圧PCB設計において最も重要でありながら、しばしば見落とされる決定事項の一つです。適切なCTI定格は、基板を表面トラッキング故障から保護し、コンパクトなレイアウトを可能にし、IEC 62368-1やULなどの厳格な安全規格への準拠を保証します。

オフライン電源、EV充電器、太陽光発電インバータ、産業用モータードライブのいずれを設計する場合でも、材料グループ（特にCTI ≥ 600VのグループI）を作業電圧と汚染度に適合させることで、安全性とスペース効率の両方を劇的に向上させることができます。

JLCPCBでは、認証済みの高CTI積層板の幅広い品揃え、沿面距離とクリアランスに関する専門的なDFMチェック、そしてプロトタイプから量産まで一貫した製造品質を提供しています。高電圧設計の安全性を偶然に任せないでください。