Все что вам необходимо знать о сертификации UL электронных конструкций
Безопасность – это то, что всегда в глубине души беспокоит инженера. Даже просчитав все возможные компьютерные модели, вы все равно задаетесь вопросом, как ваша печатная плата, воплощенная в физическую форму, будет работать при различных температурах, в разных условиях окружающей среды и эксплуатации. Это можно проверить только путем тщательных испытаний. Если вы планируете конструировать печатные платы для использования в компьютерных, аудио-видео, медицинских устройствах или в бытовой технике, вам необходимо пройти сертификацию на соответствие высочайшим стандартами безопасности. Это означает, что вам придется подробно узнать, что такое сертификация UL. В этой статье мы расскажем вам о том, что такое сертификация UL, каким стандартам должны соответствовать конструкции печатных плат, и как эта сертификация повлияет на вашу работу в качестве разработчика электроники.
Что такое UL?
Компания «Underwriters Laboratory» («UL») была основана в 1894 году Уильямом Генри Мериллом, американским инженером-электриком. UL - это независимая международная организация, проводящая испытания изделий, осуществляющая сертификацию производителей и выпускающая стандарты безопасности для различных отраслей промышленности и для разных областей применения.
Компания Underwriters Laboratory делает изделия более безопасными с 1894 года
Знак UL (UL Mark), который выдает компания «Underwriters Laboratory» - это хорошо известный символ безопасности изделия электронной промышленности, подтверждающий качество готовой электроники. Каждый год этот знак выдается более 17 миллиардам новых продуктов. И ваша печатная плата тоже может получить такой знак. UL предлагает строгий набор стандартов, охватывающий оценку риска для электронных изделий, уделяющий особое внимание пожарной и электробезопасности. С момента основания в 1984 году компания UL развивалась вместе с развитием электронных и электротехнических технологий, предлагая проведение сертификации на соответствие требованиям технической безопасности для:
первого пылесоса, системы электрической сигнализации, предохранительных кожухов оптической системы кинопроекторов, автомойки с электрическим освещением в 1909 году;
первой автоматической стиральной машины в 1937 году, которая имела несколько угроз с точки зрения техники безопасности, например угроза попадания воды в электромотор;
первого черно-белого телевизора в 1939 году. UL продолжила сотрудничать с производителями телевизоров 1953 году для производства защитных экранов и многослойного стекла для предотвращения схлопывания кинескопов;
первого аркадного игрового автомата, микроволновой печи, персонального компьютера и солнечного коллектора в период между 1975 и 1980 годами.
Сегодня UL работает над усовершенствованием норм техники безопасности для литий-ионных аккумуляторов посредством компьютерного моделирования, температурного анализа и современных подходов к испытаниям. Также компания является одной из ведущих групп по сертификации, повышающая требования техники безопасности аккумуляторных батарей электрических транспортных средств.
Мы уже сказали, что UL теперь сертифицирует гироскутеры?
В наши дни UL имеет очень тесные связи с отраслью конструирования электроники. Очень высока вероятность того, что на каком-то этапе вашей карьеры вы создадите продукт, требующий одобрения UL.
Почему вам следует беспокоиться о UL?
Согласно множеству стандартов на готовую продукцию требуется, чтобы печатные платы конечных изделий были построены в соответствии со стандартами безопасности UL. Следующие категории товаров – лишь пример того, что охватывают стандарты UL:
IEC 60065: Аудио- и видеоаппаратура;
IEC 60960: Оборудование информационных технологий;
IEC 60601: Медицинские изделия;
IEC 61010: Лабораторное оборудование;
UL 508: Общепромышленные средства управления.
Все перечисленное выше изделия должны быть сертифицированы и получить знак UL на соответствие трем стандартам: UL 796, UL 745 и UL 94. Эти стандарты разбиты на несколько подкатегорий, в том числе:
PCB Standard UL 796. В нем приведены рекомендации для печатных монтажных плат (PWB), для стандартных жестких печатных плат, плат на металлической основе и плат с высокой плотностью межсоединений.
PCB Standard UL 796F. Это расширение стандарта охватывает электронику из гибких материалов, в том числе гибкие и жестко-гибкие печатные платы.
PCB Standard UL 746E. Стандарт охватывает все конструкционные слоистые платы и материалы, используемые в производстве печатных плат.
PCB Standard UL 746F. Стандарт охватывает все гибкие диэлектрические пленочные материалы, используемые в производстве печатных плат.
UL94. В нем приведены требования пожарной безопасности, предъявляемые к пластикам и печатным платам.
В соответствии со стандартами UL 796, UL 746 и UL 94 печатные платы проходят тщательные испытания в различных условиях для оценки вероятности поражения электрическим током, воспламеняемости и механической прочности. Вот обзор каждой категории и проводимых испытаний:
MOT (Maximum Operating Temperature) – максимальная рабочая температура
DSR (Direct Support Requirement) – требования по прямому прикосновению
RTI (Relative Thermal Index) – относительный температурный индекс
Помимо проверки безопасности электронного устройства, сертификация UL также дает другие преимущества для конечных пользователей и отрасли в целом, в том числе:
Доступность. Печатные платы, сертифицированные UL, признаются во всем мире. Сертификация может помочь улучшить доступность новых рынков для вашего продукта;
Стандартизация. Изготовители печатных плат могут работать, используя общий набор руководящих принципов, способствующих стандартизации процессов изготовления и сборки;
Доверие. Конечным пользователям и потребителям предоставляется продукт, отвечающий строгим стандартам безопасности.
Варианты сертификации UL печатных плат
UL сертифицирует печатные платы согласно программе испытаний на соответствие печатных плат (PCB Recognition Program). Существует два варианта программы испытаний – Полная оценка (Full Recognition) и Оценка соответствия только требованиям пожарной безопасности (Flame-Only Recognition). Ниже представлены варианты программ испытаний и предмет соответствия:
Варианты программ испытаний UL на соответствие печатных плат
Стойкость к воздействию пламени
Стойкость к воздействию пламени обычно определяется требованиями к конечному продукту и оценивается по времени горения образца при воздействии на печатную плату горизонтального и вертикального пламени. Существует несколько классов стойкости к воздействию пламени: V-0, V-1, V-2, VTM-0, VTM-1 и VTM-2. Подробные сведения об условиях оценки по каждому классу приведены ниже.
Классификация классов стойкости к воздействию к пламени по критериям
Стойкость припоя
В испытание на стойкость припоя производится оценка процесса пайки, которому будет подвергаться печатная плата в процессе монтажа компонентов. В ходе испытания осуществляется воздействие на плату температурного удара и максимальной температуры для определения характера поведения печатной платы.
Пример воздействия теплового удара на припой. Обратите внимание на трещины
Максимальная рабочая температура
Максимальная рабочая температура (MOT) определяет максимальное время, в течение которого печатная плата может эксплуатироваться при заданной температуре. В ходе испытания производится воздействие на печатную плату нормальных эксплуатационных температур согласно рекомендациям изготовителя печатных плат в течение 10-56 дней.
Требования по прямому прикосновению
В ходе испытаний соответствия требованиям по прямому прикосновению (DSR) измеряются характеристики конструкционного материала печатной платы при контакте с напряжением 120 В и менее. Это испытание производится в отношении только материала печатной платы, а не всей печатной платы. Каждый материал получает рейтинг соответствия требованиям. Во время испытаний производится оценка нескольких характеристик материала, в том числе:
диэлектрическая прочность;
возгорание вследствие воздействия высоковольтной электрической дуги;
возгорание вследствие воздействия горячей проволоки;
удельное объемное сопротивление;
деформационная теплостойкость.
Показатель стойкости к пробою
Показатель стойкости к пробою (Comparative Tracking Index - CTI) также определяет характеристики конструкционного материала печатной платы при воздействии жидкого загрязнителя. Значения CTI отражаются в виде категорий эффективности (Performance Level Categories - PLC), приведенных в таблице ниже.
Кроме полного соответствия и соответствию только требованиям пожарной безопасности, печатные платы также разбиты на категории для определения требований, предъявляемых UL к плате исходя из типа конструкции. Типы конструкций следующие:
Однослойные печатные платы
Многослойные печатные платы
Однослойные печатные платы с металлическим основанием
Многослойные печатные платы с металлическим основанием
Платы с высокой плотностью межсоединений
Гибкие печатные платы
Свойства гибких печатных плат определяются назначением и типом конструкции. В качестве справочной информации вы можете воспользоваться таблицами выше для печатных плат гибкого типа конструкции со следующими параметрами:
Гибкие печатные платы проходят испытания на динамический и многократный изгиб;
Гибкие для монтажа печатные платы проходят испытания на гибкость при монтаже и эксплуатационном обслуживании;
Жестко-гибкие печатные платы оцениваются для различных способов применений, а типы конструкций сочетают в себе свойства гибких и жестких схем.
Что означает знак UL на печатной плате?
Нанесение изготовителем печатной платы знака UL на печатную плату означает, что ваша плата соответствует всем установленным требованиям по электро- и пожарной безопасности. В частности, знак UL означает следующее:
Материал основания, используемый в вашей печатной плате, соответствует классу пожаробезопасности согласно UL94. Например, когда материал FR4 подвергается воздействию открытого пламени, а затем удаляется из него, он самозатухает в течение 10 секунд и не образует капель горящих частиц. Каждый материал основания, предлагаемый изготовителем печатных плат, подвергается этому плану испытаний;
Материал основания, используемый в вашей печатной плате, соответствует требуемому уровню устойчивости к возгоранию при воздействии внешних источников электрического тока;
Материал основания, используемый в вашей печатной плате, соответствует требуемой диэлектрической прочности. Это разница напряжений, при которой изоляционные свойства материала основания могут начать нарушаться и вызывать угрозу безопасности;
Материал основания, используемый в вашей печатной плате, соответствует категории эффективности по прямому прикосновению допустимой токовой нагрузки согласно UL 796A.
После получения вашей печатной платой знака UL, он наносится на слой шелкографии как показано на рисунке ниже. В данном примере «UL94-0» означает, что эта плата соответствует требованиям пожаробезопасности «UL94» и имеет класс пожаробезопасности V-0. «E198312» – уникальное обозначение знака UL для данного изготовителя, а «ML» говорит о том, что это многослойная печатная плата.
Пример знака UL, нанесенного на печатную плату
Какое влияние оказывает UL на работу конструктора печатных плат?
Сертификация UL определяет требования к конечному продукту, и вам, как конструктору печатных плат, необходимо знать и понимать эти требования. Мы рекомендуем перед началом процесса проектирования проконсультироваться у изготовителя конечного продукта, чтобы определить конкретные требования, которым должна соответствовать ваша печатная плата. Если вы разрабатываете какой-либо продукт, подлежащий сертификации UL согласно нижеприведенному перечня, вам, вероятно, понадобится документация по стандартам UL:
UL 60950 - Оборудование информационных технологий;
UL 60065 - Аудио- и видеоаппаратура;
UL 62368 - Аудио-, видеоаппаратура, оборудование информационных технологий и техники связи
UL 60601 - Медицинские изделия;
UL 60335 - Бытовые приборы;
UL 61010 - Промышленные контрольно-измерительные приборы;
UL 8750 - Светодиодное оборудование.
После того, как будут определены требования к характеристикам конечного продукта, пора приступать к проектированию. Мы дадим вам несколько советов, чтобы спроектировать печатную плату на профессиональном уровне, если плата подлежит дальнейшей сертификации UL:
Всегда выбирайте детали, сертифицированные UL
Обязательно используйте детали, внесенные в список сертифицированных деталей UL, если в вашей конструкции присутствует линейное напряжение, так как это снизит стоимость сертификации. Если не использовать сертифицированные UL детали, поставляемые продавцом, в таком случае другому сотруднику в производственной цепочке придется выполнить дополнительную работу по выбору подходящих деталей и внесению изменений в проект. Чтобы избежать риска задержки реализации проекта, обязательно обращайте внимание, есть ли на деталях знак сертификации UL, прежде чем внести их в спецификацию. Возможно, вам придется покопаться в спецификации каждого компонента, чтобы найти знак UL. Ниже приведен пример спецификации на металлооксидный варистор.
Поиск знака одобрения UL электронного компонента может потребовать пристального изучения спецификации на деталь
Соблюдайте воздушные зазоры и расстояния утечки на проекте платы
При конструировании высоковольтного изделия с рабочим напряжением от 30 В до 60 В постоянного тока, необходимо обращать особое внимание на воздушные зазоры и расстояния утечки при настройке правил проектирования. Между двумя этими параметрами есть некоторая путаница. В большинстве систем автоматизированного проектирования (САПР) эти два параметра присутствуют в разделе Clearance (Зазоры). Тем не менее, между ними есть важное различие.
Правила, задающие расстояния «контактная площадка-контактная площадка», «контактная площадка-токопроводящая дорожка» и «дорожка-дорожка» относятся к расстояниям утечки на плате. Эти правила задают кратчайший путь между двумя токопроводящими элементами по поверхности платы.
Правила, определяющие расстояние между двумя токопроводящими элементами, разделенных слоем воздуха, относятся к воздушному зазору.
Разница между воздушным зазором и расстоянием утечки согласно стандартам IEC
Требования к воздушным зазорам и расстояниям утечки будут определяться конкретными требованиями к вашему проекту, общие правила для всех случаев трудно предложить. Вместо этого обязательно используйте калькулятор расстояний утечки и воздушных зазоров, разработанный согласно требованиям UL 60950 и UL 60960-1, а также другим широко применяемым стандартам IEC.
Укажите диэлектрические материалы для использования изготовителем
Сертификация UL некоторых конечных продуктов может занять недели или месяцы, поскольку ваше устройство проходит через серию квалификационных испытаний. Вместо того чтобы позволить изготовителю самому выбирать любой стекловолоконный материал, обязательно укажите требуемый диэлектрический материал в проектной документации. Это поможет избежать задержек в процессе сертификации и исключит дополнительные расходы.
Получение знака UL
Хорошая новость заключается в том, что получение маркировки UL на печатной плате - относительно простой процесс. Задача по соблюдению большей части требований, предъявляемых UL, ложится на плечи правильного контрактного изготовителя печатных плат в рамках программы соответствия UL. Согласно этой программе осуществляется проверка изготовителя на соответствие UL четыре раза в год. Для изготовителей, выпускающих печатные платы, для которых проводится полная оценка соответствия нормам, ежегодному тестированию также подвергаются готовые платы, отобранные произвольно.
Изучая расценки на изготовление печатной платы, обратите внимание, что на сайтах большинства изготовителей печатных плат есть возможность выбрать требуемую маркировку UL. На рисунке ниже показано, что можно выбрать сертифицированную UL печатную плату при помощи инструмента для получения ценового предложения pcb.cart.com.
Безопасность прежде всего
Проектируете ли вы медицинское оборудование, оборудование информационных технологий, или даже печатную плату для бытовой техники, скорее всего вашей печатной плате потребуется сертификация UL. Основная часть процесса сертификации уже выполняется изготовителем, поскольку он работает с UL в плане испытаний материалов и компонентов. Тем не менее, как конструктору печатных плат, вам все равно нужно потратить время на изучение и определение требований к вашей печатной плате, определяемых требованиями к вашему конечному продукту. Как только требования будут определены, вам необходимо будет выбрать сертифицированные UL детали в процессе проектирования схемы и соблюдать в проекте печатной платы воздушные зазоры и расстояния утечки. Что наиболее важно при составлении документации на вашу печатную плату - так это указать подходящий диэлектрический материал, который будет соответствовать требованиям к конечному изделию.