在PCB设计和制造领域，我们通常关注走线、过孔和信号完整性。然而，任何印刷电路板的基础, 其基材或基板M 都蕴藏着对长期可靠性至关重要的秘密。基板最重要的特性之一，也是有时被忽视的特性，就是其CTI（接触温度指数）。
如果您正在设计用于高压应用、恶劣环境或安全关键系统的电路板，那么了解 CTI 至关重要，而非可有可无。本指南将介绍 CTI 的定义、它与 PTI 的区别、它的测量方法、它如何影响爬电距离和柔性，以及如何为您的下一个设计选择合适的材料。
1. 什么是 CTI（比较跟踪指数）？
CTI代表比较跟踪指数。它是指 PCB 基材在不形成导电跟踪路径的情况下，能够承受 50 滴标准污染溶液（0.1% 氯化铵）的最大电压（以伏特为单位）。
简单来说：CTI 可以告诉你，你的 PCB 基板在暴露于潮湿、污染和电应力（汽车维修车间、工厂车间和室外外壳中常见的条件）时，抵抗形成漏电流路径的能力有多强。
“追踪”现象详解
电气跟踪是一种渐进式、不可逆的失效机制。其发生过程如下：
污染物不断积累
灰尘、助焊剂残留物或环境污染物会沉积在PCB表面。
水分弥合了缝隙
冷凝或湿气会在相邻导体之间形成一层薄薄的导电膜。
泄漏电流
导体之间的电压差驱动电流流过受污染的表面层。
焦耳热使基材碳化
局部加热会分解环氧树脂，并在其表面沉积碳（一种导体）。
CTI 值是指在 50 次跌落测试中，电压低于该阈值时，跟踪过程不会启动。CTI值越高，抗跟踪性能越好。
关键见解
跟踪损坏与介质击穿不同。介质击穿是瞬间发生的，会破坏材料内部结构。而跟踪损坏则是一种缓慢的表面劣化过程，由污染、潮湿和电压等因素长期共同作用造成。两者都需要考虑，但 CTI 专门针对跟踪损坏模式。
2. CTI 与 PTI：有什么区别？
CTI 和 PTI 均在IEC 60112中定义，两者都用于测量材料抵抗电痕的能力，但它们使用的测试方法从根本上来说是不同的：
| 财产 | CTI（比较跟踪指数） | PTI（证明跟踪指数） |
|---|---|---|
| 测试方法 | IEC 60112 方法 A：在不同电压下进行 50 次跌落试验以确定失效阈值 | IEC 60112 方法 B：在固定电压下进行 100 次跌落测试，以验证合格/不合格 |
| 结果 | 特定的电压值（例如，600V） | 在指定的测试电压下，测试结果为合格/不合格 |
| 目的 | 表征材料在一定电压范围内的耐电痕性能 | 确认材料是否满足特定应用所需的阈值要求 |
| 污染物 | 溶液 A（0.1% NH₄Cl）或溶液 B（0.1% NH₄Cl + 0.5% 邻苯二甲酸二辛酯） | 与 CTI 相同 |
| 常用用法 | 材料数据表、材料对比、设计选择 | 针对特定标准的合规性验证 |
| 关系 | 如果某种材料的 CTI 值为 600V，则它能通过 600V 的 PTI 测试（100 次跌落）。但是，如果某种材料通过了 300V 的 PTI 测试，则其 CTI 值可能略高于 300V——仅凭 PTI 的合格/不合格测试无法确定其确切的 CTI 值。 | |
实用要点
PCB材料数据手册几乎总是报告CTI而非PTI，因为CTI提供了一个连续的数值，便于材料间的比较。当标准规定“PTI ≥ 175V”时，可以使用CTI ≥ 175V的材料来满足要求，因为对于相同的测试溶液，CTI ≥ PTI始终成立。
3. 如何测量 CTI？IEC 60112 测试方法
IEC 60112 标准定义了一种精确、可重复的实验室程序，用于测定 CTI 值。了解该测试有助于您解读材料数据表中的 CTI 值，并评估其与您应用的相关性。
测试设置
- 电极：两个铂电极，尖端呈凿形，间距为 4 毫米，放置在测试样品的平面上，每个电极的接触力为 1.0 ± 0.05 牛顿。
- 污染物溶液：溶液 A = 0.1% 氯化铵 (NH₄Cl) 的去离子水溶液（23°C 时电导率 ≈ 2.5 µS/cm）。溶液 B 添加 0.5% 邻苯二甲酸二辛酯，适用于可能暴露于油性环境中的材料。
- 滴注机制：以 30 ± 5 秒的间隔，从 15 ± 5 毫米的高度滴落到电极之间的表面上，滴注体积为 20 ± 5 µL 的液滴。
- 电压源：交流 50/60 Hz，可变电压范围为 100V 至 600V（或更高），短路电流 ≥ 1.0 A。
测试程序（方法 A — CTI）
- 在电极间施加起始电压（例如，300V）。
- 按照规定的时间间隔，开始在电极之间滴加污染物溶液。
- 监测故障跟踪——故障定义为电流≥0.5A持续≥2秒，或持续电弧导致表面碳化。
- 如果试样能承受 50 次跌落而不损坏，则增加电压并测试新的试样。
- 如果在滴答数达到 50 次之前出现跟踪现象，请降低电压并再次测试。
- 重复上述步骤，直至确定连续5个试样均能承受50次跌落的最高电压。该电压即为CTI。
致工程师
50次跌落测试标准至关重要。这意味着CTI并非着眼于单一的灾难性事件，而是考察材料在电压应力下反复累积接触污染物后仍能保持完好的能力。这与产品在其使用寿命期间反复经历冷凝和污染循环的实际情况直接相关。
测试流程图
准备样品 → 放置电极（间距 4mm） → 施加电压 →
滴加污染物（每 30 秒一次） → 监测电流 →
能承受 50 次滴落？ → 是 → 提高电压，重新测试 →
出现跟踪失败？ → 降低电压，重新测试 →
找到 5/5 合格的最高电压 → CTI = 该电压
4. CTI PLC等级和IEC材料组
根据CTI测试结果，材料被分为性能等级类别（PLC）和相应的IEC材料组。这些分类在整个安全标准和设计规则中均有引用：
| IEC 材料组 | PLC 级 | CTI 系列 | 跟踪 阻力 | 典型材料 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| I | PLC 0 | CTI ≥ 600V | 最高 | 盛益S1600、KB-6160C、Isola 370HR（高CTI等级）、特种聚酰亚胺 | 汽车发动机舱盖下部、工业驱动器、户外通信、医疗 |
| II | PLC 1 | 400V ≤ CTI < 600V | 好的 | 中等硬度 CTI FR4 等级（例如，盛益 S1155、ITEQ IT-180A） | 工业电源、室内汽车电源、高可靠性消费类电源 |
| IIIA | PLC 2 | 250V ≤ CTI < 400V | 缓和 | 一些较高等级的FR4（CTI ~275–375V） | 干燥环境中的办公设备和电器 |
| IIIA | PLC 3 | 175V ≤ CTI < 250V | 缓和 | 标准 FR4（KB-6160、KB-6160A，最常见的 FR-4） | 消费电子产品、低压室内设备 |
| IIIB | PLC 4 | 100V ≤ CTI < 175V | 低的 | FR-1、CEM-1、一些纸基层压板 | 单面低成本板、玩具 |
| IIIB | PLC 5 | CTI < 100V | 贫穷的 | 低成本纸质酚醛层压板 | 通常不适用于大多数PCB应用 |
关键设计规则
切勿想当然地认为所有“FR-4”都一样。FR -4 指的是阻燃等级（UL 94V-0），而非电气性能。两种都标有“FR-4”的材料，其 CTI 值可能从 175V 到 600V 以上不等。务必查看制造商的数据手册，以确认您所选用等级的具体 CTI 值。
5. CTI 如何影响蠕变距离（附计算示例）
这时，CTI 就成为一项直接的设计参数。爬电距离是指绝缘材料表面两个导电部件之间的最短路径。IEC 60664-1 标准根据以下因素定义了最小爬电距离：
- 工作电压（有效值或直流）
- 污染程度（1 = 清洁/干燥，2 = 偶尔凝结，3 = 导电性污染，4 = 持续导电性污染）
- 材料 CTI 组（I、II、IIIA、IIIB）
核心关系
最小爬电距离= f(工作电压, 污染程度, 材料组)
更高的CTI（更低的材料组编号）→在相同电压和污染程度下所需的爬电距离更短。这使得电路板布局更加紧凑——这对于小型化高压设计而言至关重要。
爬电距离表（IEC 60664-1，污染等级 2）
下表显示了最常见设计场景（污染等级 2，偶有冷凝）的最小爬电距离（单位：毫米）：
| 工作电压（V） | 第一组（CTI ≥ 600V） | 第二组（CTI 400–599V） | 第三A组（CTI 175–399V） | 第三组B（CTI 100–174V） |
|---|---|---|---|---|
| 50 | 0.40毫米 | 0.56毫米 | 0.78毫米 | 1.10毫米 |
| 100 | 0.56毫米 | 0.80毫米 | 1.10毫米 | 1.60毫米 |
| 150 | 0.73毫米 | 1.05毫米 | 1.50毫米 | 2.10 毫米 |
| 300 | 1.30毫米 | 1.85毫米 | 2.60毫米 | 3.70毫米 |
| 500 | 2.00 毫米 | 2.80毫米 | 4.00 毫米 | 5.60毫米 |
| 800 | 3.20毫米 | 4.50毫米 | 6.40毫米 | 9.00 毫米 |
根据 IEC 60664-1 标准，污染等级 2 的最小爬电距离（单位：毫米）。
计算示例
例如：您正在设计一款工业电机控制器PCB，相邻初级侧走线之间的电压为500V。工作环境污染等级为2级。
- 使用标准 FR4（IIIA 组，CTI ~175V）：最小爬电距离 = 4.00 毫米
- 采用高 CTI FR4绝缘材料（I 类，CTI ≥ 600V，例如，盛益 S1600）：最小爬电距离 = 2.00 mm
- 节省空间：50%
通过升级到高 CTI 材料，您可以将爬电距离减半，从而释放电路板空间用于添加更多电路、减少层数或实现更小的尺寸。材料成本的增加通常可以通过缩小电路板尺寸和简化布局来抵消。
有关其他污染程度的详细爬电表，请参阅IEC 60664-1表 F.2或咨询您的 PCB 制造商的工程团队。
6. 为什么CTI在PCB制造中至关重要
基材的 CTI 值直接影响电路板的可靠性、安全性和使用寿命——尤其是在特定使用情况下：
防止灾难性故障
电痕是一种渐进式失效。一旦形成碳痕，其导电性会随时间推移而增强，导致短路、漏电流，最严重的情况下甚至会引发火灾。高导电性材料能够有效抵御这种失效模式。
实现小型化
如上图所示，更高的 CTI 等级可以缩短爬电距离，这意味着您可以更安全地将高压走线放置得更近。这对于电路板空间极其宝贵的 现代高密度设计至关重要。
确保符合安全认证要求
许多国际安全标准（UL、IEC、EN）都强制要求CTI/PLC（接触电阻/接触损耗）。使用CTI不足的材料可能会导致产品无法获得必要的认证，从而完全无法进入市场。
适用于恶劣环境
任何印刷电路板可能暴露于潮湿、冷凝、灰尘或化学污染物环境中的应用都需要高CTI（接触热阻）材料。主要应用领域包括：
- 汽车电子产品——发动机舱控制系统、电动汽车电池管理系统
- 工业电机驱动器和电源——工厂车间环境存在空气污染物
- 户外通信——基站、远程传感器
- 医疗器械 ——具有严格安全裕度的患者连接设备
- 家用电器——洗衣机、洗碗机（高湿度、温度循环）
7. CTI 在安全标准方面的应用：UL 796、IEC 62368-1 等
CTI 不仅仅是一项材料属性，它还是一项监管把关。以下标准明确提及了 PCB 的 CTI 或 PLC 要求：
| 标准 | 范围 | CTI/PLC要求 |
|---|---|---|
| UL 796 | 安全标准：刚性印刷电路板 | 材料鉴定需要进行CTI评估。材料必须满足其预期电压等级和最终使用环境的最低CTI要求。 |
| IEC 62368-1 | 音频/视频、IT 和通信技术设备——安全 | 取代 IEC 60950-1 和 IEC 60065。根据 CTI 组（I/II/IIIA/IIIB）、工作电压和污染程度规定最小爬电距离。 |
| IEC 60950-1 | IT 设备安全（旧版，仍被引用） | 表 2N：基于材料组别和污染程度的最小爬电距离。IIIA 组材料（标准 FR4）所需的爬电距离明显大于 I 组材料。 |
| IEC 60664-1 | 低压系统内设备的绝缘协调 | 定义了所有其他标准使用的爬电距离/间隙框架和CTI材料组。这是基于CTI的设计规则的“母标准”。 |
| IPC-4101 | 刚性PCB基材规格 | 在层压板数据表中，CTI被指定为材料属性。某些IPC-4101标准手册要求CTI具有最小值。 |
| UL 60950-1 | 美国采用IEC 60950-1 | 符合IEC 60950-1爬电要求。CTI分组分类是产品认证的必要条件。 |
合规风险：
如果您的产品需要 UL 或 IEC 认证，并且您使用了标准 FR4 材料（CTI ~175V，IIIA 组），而爬电距离是按照 I 组（CTI ≥ 600V）设计的，那么您的产品将无法通过认证。
唯一的解决方法是：(1) 重新设计，增加爬电距离；(2) 改用 CTI 值更高的材料；(3) 添加物理屏障（例如开槽/沟槽）。如果及早发现问题，方案 2 通常成本最低。
8. 常用PCB材料的CTI（对比表）
并非所有FR-4板材都品质相同。以下是市面上常见FR-4板材的CTI值和主要性能对比：
| 材料 | 制造商 | CTI（V） | PLC/集团 | 玻璃化转变温度（°C） | Dk @ 1GHz | 最适合 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| S1600 | 生义 | ≥ 600 | PLC 0 / 第一组 | 170 | 4.7 | 汽车、工业、户外 |
| KB-6160C | 国王板 | ≥ 600 | PLC 0 / 第一组 | 170 | 4.6 | 高压电源，电动汽车 |
| 370小时 | 伊索拉 | ≥ 600 | PLC 0 / 第一组 | 170 | 4.1 | 高可靠性电信、国防 |
| IT-180A | ITEQ | ≥ 400 | PLC 1 / 第二组 | 180 | 4.4 | 无铅组装，工业 |
| S1155 | 生义 | ≥ 300 | PLC 2 / IIIA组 | 150 | 4.7 | 消费电子产品、家用电器 |
| KB-6160F | 国王板 | 175 | PLC 3 / IIIA组 | 140 | 4.6 | 通用型FR4，低CTE |
| KB-6160 / 6160A | 国王板 | 175 | PLC 3 / IIIA组 | 130–140 | 4.5–4.6 | 标准FR4，防紫外线 |
| FR-1 | 各种各样的 | 100–150 | PLC 4 / IIIB组 | 不适用 | 不适用 | 单面、低成本产品 |
选择建议：
评估材料时，不要孤立地看待CTI。CTI高但Tg低的材料可能无法在无铅回流焊中保持稳定。反之，Tg高但CTI差的材料在潮湿环境中可能会失效。了解叠层结构中预浸料和芯材之间的相互作用也至关重要，CTI在所有层中应保持一致。
9. 如何选择合适的CTI材料——分步指南
步骤 1：评估运行环境
| 环境 | 状况 | 最低推荐 CTI |
|---|---|---|
| 良性 | 空调办公室，湿度可控 | 175V（PLC 3，标准FR4） |
| 缓和 | 汽车消费品（座舱）、室内工业 | ≥ 300V（PLC 2） |
| 残酷的 | 户外、高湿度、汽车引擎盖下、化学品暴露 | ≥ 400V（PLC 1，II 组） |
| 要求很高 | 电动汽车动力模块、医疗患者互联、国防 | ≥ 600V（PLC 0，I组） |
步骤 2：确定工作电压
相邻导体间的电压差越大，漏电风险就越高。对于电力电子设备、电机控制器或AC/DC转换器，无论环境如何，都应始终选择CTI值更高的材料。
步骤 3：计算爬电距离
使用 IEC 60664-1 表格（参见第 5 节），确定每种候选材料在 CTI 组中，针对工作电压和污染程度所需的最小爬电距离。确认您的PCB 布局能够满足所需的间距。
第四步：检查合规性要求
请确认您选择的材料符合所有适用的安全标准（UL 796、IEC 62368-1、IEC 60950-1）。如果认证要求特定的PLC等级，则您的材料必须达到或超过该等级。
第五步：查阅制造商数据手册
切勿仅凭“FR-4”标签就断定其耐压等级。务必查看产品数据手册以确认具体等级。Isola、盛益和ITEQ等层压板制造商提供多种FR-4等级的产品，其耐压等级从175V到600V以上不等。
步骤 6：咨询您的 PCB 制造商
像 Weller PCB 这样经验丰富的制造商可以帮助您选择合适的材料，在满足 CTI 要求的同时兼顾其他关键特性，例如表面处理兼容性、热性能（Tg、导热系数）、信号完整性（Dk/Df）和成本。
10. 案例研究：高压工业控制器中的跟踪故障
以下案例基于对真实世界故障分析的综合分析。细节已匿名化处理。
产品：三相电机控制器，480VAC 输入，专为工厂车间安装而设计。
故障模式：运行14个月后，多台设备出现间歇性接地故障跳闸。其中一台设备的PCB表面初级侧走线之间出现可见的烧焦痕迹。
根本原因分析
- 材料选择错误： PCB 采用标准 FR4（CTI ~175V，Group IIIA）制造，因为设计人员认为“FR4”足以满足所有应用需求。
- 爬电距离不足：在480VAC、污染等级2的情况下，IEC 60664-1标准要求IIIA类材料的爬电距离为3.82mm。而实际布局中，高压走线与接地层之间的距离仅为2.5mm。
- 环境恶化：工厂车间湿度高，附近数控机床运转产生的金属粉尘——典型的 2 级以上污染条件。
- 渐进式跟踪：污染 + 冷凝 + 电压应力 → 碳化跟踪路径 → 漏电流 → 接地故障跳闸。最终，持续的电弧烧焦了电路板表面。
纠正措施
- 材料升级：换用盛益 S1600（CTI ≥ 600V，I 组），将 480V 时所需的爬电距离减少到 1.90 毫米——远小于现有的 2.5 毫米间距。
- 保形涂层：添加保形涂层，作为防止污染和潮湿的额外屏障。
- 设计规则更新：所有未来的高压设计必须规定工业应用中的 CTI ≥ 400V。
经验教训：从标准FR4材料升级到S1600材料，
每平方英尺的成本大约增加了0.50美元。
现场故障造成的损失，包括保修更换、工程调查和生产线停工——估计超过12万美元。从一开始就选用合适的CTI材料的投资回报率显而易见。
