Leiterplatten Glossar

Begriff: Kriechstromfestigkeit

Erklärung:

Die Kriechstromfestigkeit von Leiterplatten-Basismaterial wird als CTI-Wert (Comparative Tracking Index) angegeben und bezieht sich auf die höchste Spannung (Volt), welche nach festen Prüfkriterien keinen Ausfall durch Kriechstrom verursacht. Eine hohe Kriechstromfestigkeit ist essentiell, wenn hohe Spannungen auf den Leiterbahnen fließen sollen und aufgrund des verfügbaren Platzes die Leiterbahnabstände vorgegeben sind.

  1. Allgemeines
  2. Kriechstrom im Detail
  3. Prüfung der Kriechstromfestigkeit
  4. Kriechstromfestigkeit: CTI / PLC / Isolierstoffgruppen

Allgemeines 

Durch Feuchtigkeit oder Verunreinigungen kann zwischen zwei Punkten auf dem - an sich isolierenden – Leiterplatten-Basismaterial ein messbarer Strom fließen, wenn eine entsprechend hohe Spannung anliegt. Dieser Strom wird Kriechstrom genannt.

Je höher die Spannung und je geringer der Abstand desto größer die Wahrscheinlichkeit einer Kriechstrombildung.

Da mit zunehmender Elektrifizierung an vielen Stellen die Betriebsspannung steigen wird, um dem Leistungsbedarf gerecht zu werden und die zunehmende Packungsdichte der Bauteile auf den Leiterplatten zu immer geringeren Leiterbahnabständen führt, wird für Basismaterial (neben Wärmebeständigkeit und Spannungsfestigkeit) die Kriechstromfestigkeit immer wichtiger.

Material mit einer hohen Kriechstromfestigkeit erlaubt signifikant kleinere Abstände zwischen stromführenden Leitern und hilft bei der Miniaturisierung.

Kriechstrom im Detail

Kritisch für den Kriechstrom ist der Leiterbahnabstand zwischen den Leiterbahnen, welche durch das Basismaterial (und die Luft) voneinander isoliert sind. Die typischen Abstände betragen hier ≥ 0,1mm.

Beispiel:

Zwei Leiterbahnen mit unterschiedlichem Potential verlaufen in geringem Abstand parallel. Das Basismaterial (meist FR4) wirkt dabei isolierend. Die Isolationsfähigkeit des Basismaterials ist grundsätzlich hochohmig, kann sich aber durch einige Faktoren verringern, sodass zwischen den beiden Potentialen Strom fließt. Der sogenannte Kriechstrom.

Folgende Faktoren können die Isolation verringern oder sogar überbrücken:

  • metallische Verschmutzungen, welche zwischen den Leiterbahnen verbleiben, z.B. vom Lötprozess
  • Fette, z.B. Fingerabdrücke
  • andere auftretende Verschmutzungen, z.B. Staub oder Abrieb

Insbesondere dann, wenn hohe Luftfeuchtigkeit und Kondensation einen leitfähigen Belag erzeugen, können Strecken für Kriechstrom (Kriechstrecken) entstehen. Diese bestehen aus karbonisierten Überresten der Verschmutzung und dem zerstörten Isolationsstoff. Kriechstrecken breiten sich meist in Verästelungen (treeing) immer weiter aus und es entsteht eine immer besser leitfähige Verbindung zwischen den unterschiedlichen elektrischen Potentialen, was am Ende zum Versagen der Isolation führen kann.

Diese Entwicklung erfolgt umso schneller, desto höher die Spannungen sind und die daraus resultierende Feldstärke. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem Kurzschluss und damit dem Ausfall des elektronischen Bauteils oder der ganzen Baugruppe.

Prüfung der Kriechstromfestigkeit

Um die Neigung eines Materials zur Ausbildung des Kriechwegs zu bestimmen, wird der Comparative Tracking Index (CTI) gemessen. Bei diesem standardisierten Prüfverfahren (IEC 60112 alternativ ASTM D3638) wird zwischen zwei Elektroden auf das zu prüfenden Material eine genormte Prüflösung aufgetropft. Die Messung wird mehrfach wiederholt.

Der CTI-Wert entspricht der maximalen Spannung, bei der nach 50 Tropfen kein Ausfall verursacht wurde. Ausfallkriterien: kein Stromfluss ≥ 0,5 A > 2 Sekunden (IEC 60112).

Der praktische Nutzen eines hohen CTI-Wertes ist vor allem die Verringerung der benötigten Isolationsstrecken = Leiterbahnabstände für stromführenden Leiter.

Kriechstromfestigkeit

Quelle: UL IEC 60112

Kriechstromfestigkeit: CTI / PLC / Isolierstoffgruppen

Die ermittelten Prüfwerte für das Basismaterial werden in PLC-Gruppen (Performance Level Categories) unterteilt. Leiterplatten FR4 Material hat als Standard PLC 3 (CTI 175V - 249V), besonders kriechstromfeste KF Varianten haben einen CTI ≥400V bis >600V.

Beim Design medizinischer Produkte wird der CTI-Wert anders eingeteilt. Hier gelten die Isolierstoffgruppen nach EN 60601-1.

 

CTI BereichPLCIsolierstoffgruppe
≥ 600V0I
400V - 599V1II
250V - 399V2IIIa
175V - 249V3IIIa
100V - 174V4IIIb
< 100V5-

 Weitere Informationen zur EN 60601-1 (Teil 1) / EN 60601-1 (Teil 2)