Плата для опасных зон предназначена для безопасной работы в средах, содержащих взрывоопасные газы, горючую пыль или воспламеняющиеся волокна, не становясь при этом источником возгорания. Эти платы требуют строгого соблюдения температурных ограничений, определенных путей утечки и надежной герметизации для соответствия таким стандартам, как ATEX, IECEx или UL 913. Инженеры должны отдавать приоритет локализации отказов и управлению температурой, а не оптимизации стандартной плотности, чтобы обеспечить безопасность в критически важных промышленных или архитектурных приложениях.

Быстрый ответ (30 секунд)

• Основное правило: Поддерживайте сравнительный индекс слежения (CTI) ≥ 600 В (PLC 0) для ламинатов, чтобы предотвратить электрическое слежение в средах с проводящей пылью.
• Критический диапазон: Поддерживайте максимальную температуру поверхности как минимум на 5–10 °C ниже температуры самовоспламенения для конкретного класса газа/пыли (например, для класса T4 требуется < 135 °C).
• Проверка. Используйте тепловидение во время нагрузочного тестирования, чтобы убедиться, что ни один компонент не превышает номинальный температурный класс (Т-класс).
• Распространенная ошибка: игнорирование «степени загрязнения» при расчете утечки; Накопление пыли может привести к замыканию проводников, если расстояние определяется исключительно чистыми лабораторными условиями.
• Граничный случай: В искробезопасных конструкциях (IS) одного стабилитрона часто бывает недостаточно; для устранения двух одновременных неисправностей требуются резервные зажимные компоненты.
• Совет DFM: Укажите «шаговые и заглушенные переходные отверстия», чтобы предотвратить затекание припоя или образование пустот, которые могут поставить под угрозу изоляционные барьеры или целостность конформного покрытия.

Основные моменты

• Безопасность превыше всего: разрабатывайте стратегии искробезопасности (IS) по сравнению с взрывозащищенной герметизацией.
• Характеристики материалов: Почему материалы с высокой Tg (>170°C) и высоким CTI не подлежат обсуждению.
• Правила размещения: Значения путей утечки и зазоров в бетоне для систем 60–250 В.
• Покрытие: Роль конформного покрытия (25–75 мкм) в предотвращении искрения.
• Тестирование: Как проверить тепловые характеристики и диэлектрическую прочность.
• Применение: От промышленных датчиков до архитектурных легких печатных плат в суровых зонах.

Содержание

• Определение и область применения (Что это такое, чем не является)
• Правила и спецификации (ключевые параметры и ограничения)
• Этапы реализации (контрольные точки процесса)
• Устранение неполадок (режимы сбоев и исправления)
• Как выбрать (Проектные решения и компромиссы)
• Часто задаваемые вопросы (стоимость, время выполнения, материалы, тестирование, критерии приемки)
• Глоссарий (ключевые термины)
• Запросить цену (обзор DFM + цены)
• Заключение

Определение и область применения (что это такое, чем не является)

• Печатная плата для опасных зон* — это электронный узел, предназначенный для предотвращения выделения достаточного количества электрической или тепловой энергии, способного воспламенить опасную атмосферу. Это относится к различным отраслям промышленности, от нефтехимической переработки до переработки зерна, и все чаще к системам Интеграции зданий на печатных платах, в которых датчики или освещение встроены в действующие промышленные зоны.

Применяется, когда:

• Окружающая среда содержит легковоспламеняющиеся газы (Класс I), горючую пыль (Класс II) или воспламеняющиеся волокна (Класс III).
• Устройство требует сертификации по UL 913, UL 1203, IEC 60079 (ATEX/IECEx) или CSA C22.
• Стратегия проектирования основана на искробезопасности (ограничение энергии), невоспламеняющихся цепях (отсутствие дуги при нормальной работе) или герметизации (герметизация).
• Рабочие температуры являются критическими; плата не должна становиться горячей точкой.
• Надежность имеет первостепенное значение; отказ может привести не только к простою устройства, но и к катастрофическим взрывам. Не применяется, если:
• Устройство расположено в неклассифицированной зоне «общего назначения» (например, в стандартной офисной серверной комнате).
• Корпус полностью продувается и нагнетается чистым воздухом (хотя печатная плата внутри должна оставаться прочной, строгие правила безопасности могут быть смягчены).
• Стандартная бытовая электроника (степень защиты IP, например IP67, защищает от проникновения воды и пыли, но не гарантирует взрывозащиты).
• Оборудование для передачи высокого напряжения, в котором дуга контролируется маслом или элегазом, а не проектируется на уровне печатной платы.

Правила и спецификации (ключевые параметры и ограничения)

Проектирование опасных зон требует строгого соблюдения свойств материалов и геометрического расстояния. В следующей таблице приведены критические параметры.

Правило	Рекомендуемое значение/диапазон	Почему это важно	Как проверить	Если игнорировать
Ламинат CTI	≥ 600 В (ПЛК 0)	Предотвращает «слежение» (проводящие пути) на поверхности под напряжением и загрязнением.	Проверьте таблицу данных на соответствие требованиям ASTM D3638 или IEC 60112.	Образуются углеродные следы, ведущие к коротким замыканиям и возможному возгоранию.
Стеклообразование (Tg)	> 170°C (Высокая Tg)	Обеспечивает механическую стабильность и надежность оси Z при повышенных рабочих температурах.	ТМА (термомеханический анализ) проверка партии материала.	Во время термоциклирования возникают кратеры на подушках или трещины ствола.
Расстояние утечки	≥ 3,0 мм (для < 60 В)	Предотвращает искрение по поверхности, особенно в средах со степенью загрязнения 3 (промышленных).	Проверка правил проектирования САПР (DRC) и физические измерения.	Если пыль/влага попадает в зазор, может возникнуть искрение, что приведет к воспламенению атмосферы.
Зазорное расстояние	≥ 2,0 мм (обычное)	Предотвращает искрение в воздухе между проводящими частями.	CAD ДРК; сверяйте с таблицами IPC-2221B или IEC 60079-11.	Искровое перекрытие происходит во время скачков напряжения или переходных процессов.
Конформное покрытие	25–75 мкм	Обеспечивает диэлектрический барьер против влаги и проводящей пыли.	УФ-контроль (если используется индикатор) или манометр с влажной пленкой.	Коррозия или рост дендритов перекрывают проводники.
Медная масса	≥ 2 унции (70 мкм)	Улучшает рассеивание тепла, поддерживая низкую температуру поверхности.	Анализ микрошлифа (поперечное сечение).	Следы перегреваются, превышая предел Т-класса (например, >135°C).
Диэлектрическая прочность	> 30 кВ/мм	Гарантирует, что изоляционные слои не разрушаются под высоким напряжением.	Испытание Hi-Pot (диэлектрическое выдерживаемое напряжение).	Замыкание внутреннего слоя, приводящее к катастрофическому выходу платы из строя.
Максимальная температура поверхности	< 80% автоматического зажигания	Самый горячий компонент ни в коем случае не должен воспламенять окружающий газ/пыль.	Снимки с тепловизионной камеры при максимальной нагрузке + смещение окружающей среды.	Устройство не прошло сертификацию; высокий риск взрыва.
Заливка без пустот	100 % заполнение	В случае инкапсуляции пузырьки воздуха могут привести к скоплению газа и внутреннему возгоранию.	Рентгеновский контроль герметичной сборки.	Внутренний взрыв разрывает корпус.

Этапы реализации (контрольные точки процесса)

Создание печатной платы для опасных зон предполагает нечто большее, чем просто стандартное изготовление. Это требует подхода «безопасность задумана».

1. Выберите метод защиты

   • Решите, будет ли цепь искробезопасной (IS), герметизированной (m) или невоспламеняющейся (n).
   • Проверка: Для искробезопасного газа убедитесь, что общая емкость и индуктивность находятся ниже кривых воспламенения для конкретной группы газов (например, группы IIC для водорода).

2. Выбор материала

   • Выбирайте ламинат с High Tg (>170°C) и High CTI (>600В).
   • Проверка: Убедитесь, что в спецификации материала явно указаны эти значения. Обратитесь к разделу «Материалы для печатных плат Isola» (/materials/isola-pcb/), чтобы подобрать подходящие варианты.

3. Размещение компонентов и тепловая схема

   • Расположите компоненты, выделяющие тепло, во избежание появления горячих точек. Используйте тепловые переходные отверстия и тяжелые медные пластины.
   • Проверка: Запустите тепловое моделирование. Убедитесь, что ни одна точка не превышает предел Т-класса (например, T4 = 135°C, T6 = 85°C).

4. Прокладка путей утечки и зазора

   • Установите правила САПР, обеспечивающие соблюдение минимального расстояния в соответствии со стандартом IEC 60079-11 (обычно более строгим, чем IPC-2221).
   • Проверка: Выполните DRC определенного «безопасного интервала». Обратите внимание на расстояние под такими компонентами, как оптроны.

5. Изготовление со строгими допусками

   • Убедитесь, что допуски травления не уменьшают ширину/расстояние между дорожками ниже безопасных пределов.
   • Проверка: Запросите первую проверку изделия для измерения фактической ширины и расстояния между дорожками.

6. Сборка и чистота

   • Остатки флюса могут быть проводящими и гигроскопичными. Перед нанесением покрытия обязательна тщательная очистка.
   • Проверка: Выполните тест на ионное загрязнение (тест ROSE). Предел должен составлять < 1,56 мкг/см² в эквиваленте NaCl.

7. Конформное покрытие или заливка

   • Нанесите PCB Conformal Coating (тип UR, AR или SR) или залейте эпоксидной смолой.
   • Проверка: Проверьте толщину и покрытие, особенно на острых краях и выводах компонентов.

8. Окончательное проверочное тестирование

   • Проведите функциональные тесты и специальные тесты на безопасность (например, тест изоляции 500 В для искробезопасных цепей).
   • Проверка: Убедитесь, что записи Системы качества прослеживают эти тесты по конкретным серийным номерам.

Устранение неполадок (режимы сбоев и исправления)

Сбои в опасных зонах могут быть незаметными, но опасными. Ниже описано, как диагностировать и устранять распространенные проблемы.

Симптом: искрение или искрение между дорожками

• Вероятная причина: Недостаточная длина пути утечки для данной степени загрязнения; токопроводящее скопление пыли; пустоты покрытия.
• Проверки: Осмотрите под увеличением на наличие углеродных следов (дендритов). Проверьте целостность покрытия под УФ-излучением.
• Исправление: Тщательно очистите плату. Повторно нанесите покрытие, чтобы лучше закрыть края.
• Профилактика: Увеличьте расстояние на этапе проектирования. Используйте паз (фрезерование) между высоковольтными площадками для увеличения пути утечки.

Признак: перегрев или перегрев

• Вероятная причина: Следы тока имеют недостаточный размер; плохой тепловой путь к радиатору; выход из строя компонента.
• Проверки: Используйте тепловизионную камеру. Проверьте вес меди (это 1 унция вместо указанных 2 унций?).
• Исправление: Если возможно, добавьте внешний радиатор.
• Профилактика: Используйте технологию Heavy Copper PCB. Увеличьте ширину трассы. Используйте тепловые переходы, подключенные к земляным пластинам.

Признак: расслоение покрытия

• Вероятная причина: Плохая подготовка поверхности; остаток флюса; несовместимый материал покрытия.
• Проверки: Испытание ленты (испытание на адгезию через штриховку). Ищите эффект «волдырей» или «апельсиновой корки».
• Исправление: Снимите слой и нанесите новый слой (сложно). Обычно требуется утилизация устройства.
• Профилактика: Перед нанесением покрытия соблюдайте строгие циклы стирки и сушки. Обеспечьте совместимость паяльной маски и защитного покрытия.

Признак: неудачное испытание на диэлектрическую стойкость (Hi-Pot)

• Вероятная причина: Слишком маленькое расстояние между внутренними слоями; пустоты в ламинате; препреговое голодание.
• Проверки: Анализ поперечного сечения для поиска дефектов внутреннего слоя.
• Исправление: Нет для готовой платы.
• Профилактика: Проверьте Стек печатной платы и толщину диэлектрика. Убедитесь, что выбранный препрег обеспечивает достаточное наполнение смолой.

Признак: коррозия компонентов в полевых условиях

• Вероятная причина: Проникновение агрессивных газов (H2S, Cl2) через отверстия в покрытии.
• Проверки: Визуальный осмотр выводов на наличие зеленых/черных продуктов коррозии.
• Исправление: Замените устройство.
• Профилактика: Перейдите на более прочное покрытие (например, парилен) или полную заливку.

Как выбрать (проектные решения и компромиссы)

Правильный выбор конструкции на раннем этапе экономит затраты на сертификацию в дальнейшем.

1. Если окружающая среда относится к зоне 0 (постоянная опасность)...

   • Выберите: Искробезопасность (Ex ia). Плата должна ограничивать энергию в двух случаях отказа.
   • Компромисс: Значительно ограничивает доступную мощность. Сложная конструкция с резервными барьерами Зенера.

2. Если окружающая среда относится к зоне 1 или 2 (постоянная опасность)...

   • Выберите: Взрывозащищенный корпус (Ex d) или герметизацию (Ex m).
   • Компромисс: Печатная плата может работать с большей мощностью, но корпус тяжелый и дорогой. Печатная плата должна помещаться в ограниченном пространстве.

3. Если требуется высокая мощность (например, моторные приводы)...

   • Выберите: Стандарты Плата промышленного управления с корпусом с продувкой/под давлением (Ex p).
   • Компромисс: Требуются внешние системы подачи воздуха и мониторинга.

4. Если пространство крайне ограничено (например, портативные детекторы газа)...

   • Выберите: Жестко-гибкая плата, чтобы исключить разъемы (которые являются потенциальными точками искры).
   • Компромисс: более высокая стоимость производства, но более высокая надежность.

5. Если используется плата архитектурного освещения...

   • Выберите: Светодиодные платы с алюминиевым или металлическим сердечником печатной платы основанием для максимального рассеивания тепла.
   • Компромисс: Обычно применяются одноуровневые ограничения; Сложная маршрутизация требует тщательного планирования.

6. Если в окружающей среде присутствуют агрессивные химические вещества...

   • Выберите: Золотая поверхность (ENIG или Hard Gold) и толстое защитное покрытие.
   • Компромисс: Более высокая стоимость, чем у HASL, но предотвращает окисление контактов.

Часто задаваемые вопросы (стоимость, время выполнения, материалы, тестирование, критерии приемки)

Вопрос: Насколько дороже стоит печатная плата для опасных зон по сравнению со стандартной печатной платой?

• Обычно на 20–50 % выше.
• Затраты обусловлены использованием высокоэффективных материалов (высокая Tg/CTI), более строгим контролем допусков и обязательными испытаниями (Hi-Pot, ионная чистота).

В: Могу ли я использовать стандарт FR-4 для опасных зон?

• Да, но с оговорками.
• Это должен быть высококачественный FR-4 с известным CTI (индексом сравнительного отслеживания) и соответствующим Tg. Обычный недорогой FR-4 часто не обладает устойчивостью к трекингу, необходимой для сертификации.

В: Каков срок поставки этих плат?

• Применяются стандартные сроки выполнения заказа (например, 5–10 дней для прототипов), но допускается дополнительное время для нанесения покрытия и испытаний.
• Если необходимы специальные ламинаты (например, Rogers или определенные марки Isola), закупка материала может увеличиться на 1–2 недели.

В: Нужна ли мне специальная сертификация для производства этих печатных плат?

• Производителю печатных плат необходима надежная система управления качеством (ISO 9001).
• Однако окончательная сборка обычно имеет сертификат ATEX/UL. Производитель печатных плат должен предоставить сертификат соответствия (CoC), подтверждающий соответствие материалов и характеристик.

В: Какой тест является наиболее важным для этих печатных плат?

• Испытание на диэлектрическую стойкость (Hi-Pot) и ионное загрязнение.
• Hi-Pot обеспечивает целостность изоляции; Проверка чистоты гарантирует, что под покрытием не останется проводящих остатков.

Вопрос: Как «плата для интеграции в здание» связана с опасными зонами?

• Современные здания часто включают в инфраструктуру датчики и освещение.
• Если они установлены в котельных, гаражах (выхлопные газы) или промышленных зонах, для них могут потребоваться рейтинги HazLoc.

В: Какая обработка поверхности лучше всего?

• Предпочтительным является ENIG (электрическое никель-иммерсионное золото).
• Он обеспечивает плоскую поверхность для компонентов с малым шагом и превосходную коррозионную стойкость по сравнению с HASL.

В: Можете ли вы отремонтировать печатную плату, находящуюся в опасной зоне?

• В целом нет.
• Ремонт может поставить под угрозу защитное покрытие или свойства искробезопасности. Большинство сертифицированных устройств подлежат только замене.

Глоссарий (ключевые термины)| Срок | Значение | Почему это важно на практике |

| :--- | :--- | :--- | | Искробезопасность (IS) | Метод защиты, который ограничивает электрическую и тепловую энергию до уровня ниже того, который необходим для воспламенения конкретной опасной атмосферной смеси. | Позволяет проводить обслуживание оборудования под напряжением в опасных зонах; требует строгого размещения компонентов и ограничения тока. | | CTI (Сравнительный индекс отслеживания) | Мера свойств электрического пробоя (отслеживания) изоляционного материала. | Материалы с высоким CTI (PLC 0 или 1) противостоят следам углерода, что позволяет сократить расстояние между компонентами. | | Поползновение | Кратчайшее расстояние между двумя токопроводящими частями по поверхности изоляции. | Должно быть достаточно, чтобы предотвратить отслеживание, особенно в пыльных/влажных условиях. | | Распродажа | Кратчайшее расстояние между двумя проводящими частями по воздуху. | Предотвращает искрение или искрение в воздушном зазоре. | | Т-Класс (Температурный класс) | Система классификации (от T1 до T6), указывающая максимальную температуру поверхности, которую может генерировать устройство. | Температура печатной платы должна оставаться ниже температуры воспламенения присутствующего газа/пыли (например, T6 < 85°C). | | Зона 0/1/2 | Классификация МЭК по частоте присутствия опасности (0 = постоянно, 1 = вероятно, 2 = маловероятно). | Определяет строгость правил проектирования печатных плат (Зона 0 требует наиболее надежной искробезопасной конструкции). | | Степень загрязнения | Рейтинг (1–4) ожидаемого количества сухого/влажного загрязнения (пыль/влага) в окружающей среде. | Промышленные печатные платы HazLoc обычно рассчитаны на степень загрязнения 3, что требует большего расстояния. | | Конформное покрытие | Защитное химическое покрытие или полимерная пленка. | Необходим для поддержания диэлектрических свойств и предотвращения коррозии в суровых условиях. |

Запросить цену (обзор DFM + цены)

Чтобы получить точную расценку и комплексную оценку технологичности проектирования (DFM) для вашей печатной платы, предназначенной для использования в опасных зонах, предоставьте следующую информацию. Наша команда инженеров проверит ваши файлы на соответствие стандартам безопасности, чтобы гарантировать их соответствие.

• Файлы Gerber: Формат RS-274X или ODB++.
• Характеристики материала: Укажите требования к Tg, CTI и толщину диэлектрика.
• Стекирование: Детальное построение слоев, особенно если требуется изоляция импеданса или высокого напряжения.
• Отделка поверхности: Предпочтительная отделка (например, ENIG, Immersion Silver).
• Требования к покрытию: Тип защитного покрытия и области маскировки (защитные зоны).
• Цель сертификации: Укажите, соответствует ли это ATEX, UL 913 или IECEx (это поможет нам проверить правила размещения).
• Количества: Прототип и объемы массового производства.
• Специальные тесты: Уровни напряжения Hi-Pot, пределы ионной чистоты или контроль импеданса.

ЗаключениеПроектирование печатной платы для опасных зон — это дисциплина, которая сочетает в себе электрические характеристики и предотвращение катастрофических отказов. Соблюдая строгие правила в отношении CTI, утечки, зазора и управления температурой, вы гарантируете безопасную работу вашего устройства в самых нестабильных средах. Будь то промышленное управление или специализированные приложения архитектурных легких печатных плат, выбор правильных материалов и проверка вашей конструкции посредством строгих испытаний — единственный путь к сертификации и безопасности.

Related links

• первую проверку изделия
• PCB Conformal Coating
• Системы качества
• Heavy Copper PCB
• Стек печатной платы
• Плата промышленного управления
• Жестко-гибкая плата