Distanze tra le Tracce nei PCB

Quando si progetta un circuito stampato (PCB), non basta collegare i componenti con le tracce giuste. C’è un’arte e una scienza dietro la disposizione delle tracce, e una delle considerazioni più critiche è l’isolamento elettrico. Ignorare questo aspetto può portare a malfunzionamenti, pericoli per la sicurezza e, nel peggiore dei casi, a guasti catastrofici del dispositivo.

Ma di cosa parliamo esattamente quando parliamo di “isolamento tra le tracce”? E quali sono le regole del gioco?

Perché l’Isolamento è Fondamentale?

Immagina l’elettricità come l’acqua in un tubo. Se il tubo perde, l’acqua va dove non dovrebbe. Allo stesso modo, se le tracce sul tuo PCB sono troppo vicine tra loro, l’elettricità può “saltare” da una traccia all’altra. Questo fenomeno è noto come scarica disruptiva (o arcing). Oltre a ciò, la superficie del PCB può degradarsi nel tempo creando percorsi conduttivi, un processo chiamato tracking.

Un isolamento adeguato previene:

• Cortocircuiti: Evita che la corrente fluisca dove non deve.
• Archi Elettrici: Previene scintille e scariche che possono danneggiare i componenti o causare incendi.
• Guasti Dielettrici: Assicura che il materiale isolante tra le tracce mantenga le sue proprietà nel tempo.
• Problemi di Compatibilità Elettromagnetica (EMC): Un buon isolamento può ridurre il rumore e le interferenze indesiderate.
• Rischi per la Sicurezza: Fondamentale per prodotti che interagiscono con le persone, specialmente se collegati alla rete elettrica.

Clearance e Creepage: Le Due Misure Chiave

Nel mondo dell’isolamento dei PCB, sentirai spesso parlare di due termini: Clearance e Creepage. Sono entrambi fondamentali, ma si riferiscono a concetti leggermente diversi:

1. Clearance (Distanza nell’Aria)

La Clearance è la distanza più breve misurata nell’aria tra due conduttori. Pensa a un uccello che vola in linea retta da un punto all’altro. Questa distanza è cruciale per prevenire la scarica disruptiva, cioè il “salto” di corrente attraverso l’aria.

I fattori che influenzano la clearance sono principalmente:

• Tensione Operativa: Maggiore è la differenza di potenziale tra le tracce, maggiore dovrà essere la distanza.
• Altitudine: Ad altitudini più elevate, l’aria è meno densa e ha una rigidità dielettrica inferiore, richiedendo quindi distanze maggiori.
• Sovratensioni (Transitori): Picchi di tensione improvvisi (come quelli causati da fulmini o commutazioni di carichi induttivi) richiedono una clearance maggiore per essere sopportati.

2. Creepage (Distanza sulla Superficie)

La Creepage è la distanza più breve misurata lungo la superficie isolante del PCB tra due conduttori. Immagina una lumaca che striscia seguendo il profilo della superficie. Questa distanza è importante per prevenire il tracking, un processo in cui una corrente di dispersione crea un percorso conduttivo sulla superficie del materiale isolante, spesso a causa di umidità e contaminanti (polvere, sporco).

I fattori chiave per il creepage includono:

• Tensione Operativa: Simile alla clearance, tensioni maggiori richiedono più creepage.
• Grado di Inquinamento: Questo è un fattore critico. Un ambiente “sporco” o umido richiederà distanze di creepage molto più grandi rispetto a un ambiente pulito e sigillato. Gli standard classificano gli ambienti in vari gradi di inquinamento (PD1 per ambienti puliti e sigillati, fino a PD4 per ambienti estremi).
• Materiale del PCB (CTI – Comparative Tracking Index): È una misura della resistenza di un materiale isolante alla formazione di percorsi conduttivi sulla sua superficie. Materiali con un CTI più alto possono resistere meglio al tracking. Il comune FR-4 (il materiale del PCB) ha un CTI specifico che influisce sui requisiti di creepage.
• Presenza di Rivestimenti Protettivi (Solder Mask/Conformal Coating): Uno strato protettivo come la solder mask (quella vernice verde sul PCB) o un conformal coating può aumentare notevolmente la resistenza superficiale, consentendo in alcuni casi di ridurre le distanze di creepage o di classificare l’ambiente in un grado di inquinamento migliore.

Gli Standard: La Tua Guida Infallibile

Fortunatamente, non devi reinventare la ruota. Esistono standard internazionali che forniscono tabelle dettagliate e calcoli per determinare le distanze minime di clearance e creepage. I più importanti sono:

• IPC-2221 (Generic Standard on Printed Board Design): Questo è lo standard di riferimento per la progettazione generica dei PCB. Fornisce tabelle per la clearance basate su tensione, tipo di conduttore (interno/esterno, rivestito/non rivestito) e altitudine.
• IEC 60950-1 / IEC 62368-1 (Standard di Sicurezza): Questi standard sono cruciali per le apparecchiature elettroniche e informatiche. Sono molto rigorosi e specificano in dettaglio le distanze di clearance e creepage, considerando la tensione di lavoro, il grado di inquinamento, il gruppo materiale del PCB e il tipo di isolamento richiesto (funzionale, di base, supplementare, rinforzato).

Esempio Pratico: 1000V DC in un Ambiente Controllato

Prendiamo un esempio comune: vuoi isolare due tracce con una differenza di potenziale di 1000V DC di picco, ma il tuo PCB è all’interno di una cassetta ermetica e ha il rivestimento isolante standard (solder mask verde). Questo significa un Grado di Inquinamento 1 (PD1), l’ambiente più pulito.

Secondo gli standard (facendo riferimento a IEC 60664-1 e IPC-2221 per il calcolo incrementale):

• Clearance (Distanza nell’Aria): Per 1000V DC in PD1, gli standard di sicurezza potrebbero richiedere una clearance di circa 0.2 mm (per isolamento base) fino a 0.8 mm (per isolamento rinforzato, a seconda dei requisiti di sovratensione). L’IPC-2221, che è più generico, indicherebbe circa 1.9 mm per tracce esterne rivestite a 1000V. Come vedi, i requisiti di sicurezza spesso sono più stringenti.
• Creepage (Distanza sulla Superficie): Con PD1 e un PCB rivestito in FR-4 (Gruppo Materiale IIIa), le distanze sono notevolmente ridotte. Per 1000V DC, potremmo parlare di circa 0.5 – 0.8 mm per isolamento funzionale/base, e circa 1.0 – 1.6 mm per isolamento rinforzato.

Consigli Pratici per la Progettazione

• Conosci i Tuoi Standard: Il primo passo è identificare quali standard di sicurezza e di progettazione si applicano al tuo prodotto.
• Valuta l’Ambiente: Sii realistico sul grado di inquinamento del tuo ambiente operativo. Una “cassetta ermetica” è efficace solo se previene realmente l’ingresso di umidità e contaminanti.
• Considera il Tipo di Isolamento: L’isolamento è solo per il funzionamento del circuito (funzionale) o è anche una barriera di sicurezza per l’utente (base, supplementare, rinforzato)? I requisiti cambiano drasticamente.
• Aggiungi un Margine di Sicurezza: Le tolleranze di fabbricazione possono ridurre le distanze effettive. È sempre saggio dare un piccolo margine extra rispetto ai minimi degli standard.
• Usa Strumenti CAD: I moderni software di progettazione PCB (come Altium Designer, KiCad, Eagle) hanno funzionalità per impostare e verificare automaticamente le regole di clearance e creepage.
• Testa il Tuo Design: Per le schede ad alta tensione, i test di produzione come l’Hi-Pot (High Potential) sono essenziali per verificare l’integrità dell’isolamento.

L’isolamento delle tracce sul PCB è un aspetto che non va mai sottovalutato. Comprendere i concetti di clearance e creepage, e sapere dove trovare le informazioni negli standard pertinenti, ti permetterà di creare PCB robusti, affidabili e, soprattutto, sicuri.

Hai domande specifiche sui tuoi progetti? O vorresti approfondire un aspetto in particolare?