PCB-Abmessungen: Toleranz und die IPC

Hier stellen wir uns mutig einer düsteren Realität - nichts ist perfekt in der realen Welt.

Wir geben unser Bestes, um Genauigkeit in unseren Leiterplattendesigns zu wahren, aber der Herstellungsprozess bringt Unvollkommenheiten hervor.

• Unsere CAD-Systeme gehen davon aus, dass ein Bohrer perfekt in einem runden Pad zentriert ist. Das ist er nie.

• Wir geben spezifische Leiterbahnbreiten an, und wenn wir sie auf einer tatsächlichen Platine messen, sind sie immer etwas dünner oder dicker als erwartet.

• Mehrere Schichten sind auf unseren Computerbildschirmen perfekt ausgerichtet, aber den Herstellern gelingt es nie ganz, dies zu duplizieren. Es wird immer eine gewisse Fehlregistrierung geben.

• Das Platinendesign wird als flach angenommen, aber Platinen im Endprodukt können gebogen oder verzogen sein.

• Wir haben einige Leiterbahnen als impedanzkontrolliert ausgewiesen, aber unsere Messungen weichen ab

Wir könnten immer weitermachen, aber ich hoffe, Sie sehen den Punkt. Als Designer berechnen wir exakte Zahlen. Wir entwerfen mit Präzision. Unsere CAD-Systeme zeigen uns die ideale Platine. In der realen Welt ist nichts so präzise. Das Endprodukt wird sich auf die eine oder andere Weise vom Ideal unterscheiden, hoffentlich auf Arten, die harmlos sind.

Wie werden Sie entscheiden, welche Mängel akzeptabel sind?

Die Messung einer Gruppe von vermeintlich identischen Produkten wird eine gewisse Variabilität aufzeigen, daher müssen wir definieren, welcher Bereich für jede Art von Messung akzeptabel ist und an welchem Punkt oder Limit wir das Produkt als nicht konform ablehnen sollten. Diese Bereiche werden TOLERANZEN genannt.

Hier ist ein Beispiel: Nehmen wir an, wir erhalten ein Schaltbild für ein Design, das in einem Metallkasten montiert werden soll, und die vordefinierte Kastengröße ist größer als der Bereich, den wir wirklich für die Schaltung benötigen. Diese Art von Design bietet uns genügend Raum, um bequem zu arbeiten, indem Komponenten weit vom rechteckigen Platinenrand platziert werden. Unser Ziel ist es, sicherzustellen, dass die Platine in den Kasten passt und das Muster der Befestigungslöcher der Platine zur Befestigungshardware des Kastens passt. In dieser Situation sind die Abmessungen des Platinenrands nicht so wichtig, und wir könnten eine große Toleranz zulassen.

Stellen wir uns nun vor, dass die gleiche Schaltung auf eine Standardgröße einer Erweiterungskarte für einen Personal Computer passen muss und einen beschichteten Randstecker benötigt. In diesem Szenario, selbst wenn genügend Platz für die Schaltung auf der Platine vorhanden ist, sind die Abmessungen des Platinenrands kritischer, und die Toleranz muss verringert werden, um sicherzustellen, dass die Platine richtig passt. Eine kleinere Toleranz könnte immer noch im Rahmen der standardmäßigen Fertigungsprozesskontrolle liegen, aber sie fügt Komplexität hinzu, erhöht die Kosten und macht die Inspektion schwieriger.

Nun betrachten wir die Anforderung, die Schaltung in die Begrenzungen eines Handygehäuses zu verpacken. Die neuen Größenbeschränkungen geben uns noch weniger Platz auf der Platine, und die Abmessungen sind kritischer. Der Designer muss diese Erwartungen klar für den Hersteller definieren, und dieses Design kann die verfügbaren Fertigungspartner auf jene beschränken, die diese engeren Toleranzen wiederholt einhalten können.

Mit diesem Beispiel wollte ich veranschaulichen, dass derselbe Schaltkreis je nach Anwendung unterschiedliche Anforderungen haben kann und unterschiedliche Toleranzbereiche aufweisen mag. Aber verstehen Sie, dass die dimensionale Toleranz des Platinenumrisses nur eine Eigenschaft unter Dutzenden ist. Die Platinendicke kann wichtig sein, oder die Dicke der Beschichtung, Lochdurchmesser, Schichtregistrierung, minimaler Ringabstand, dielektrische Eigenschaften usw. Es gibt viele Parameter, die zu einem erfolgreichen Design beitragen, und jedem von ihnen sollte im Prozess des Entwerfens einer Leiterplatte etwas Aufmerksamkeit gewidmet werden.

Nun stellen wir uns vor, dass wir jede Art und Weise untersucht haben, wie ein Leiterplattenparameter variieren kann, akzeptable Toleranzen für jeden definiert haben und all diese in einem Spezifikationsdokument gesammelt haben. Wenn das nächste Design ansteht, könnten wir einen Teil oder die gesamte vorherige Spezifikation verwenden, wobei nur die Parameter geändert werden, die sich deutlich unterscheiden. Auf diese Weise könnte ein Unternehmen eine allgemeine Platinenspezifikation entwickelt haben, die auf die meisten seiner Produkte zutrifft, sofern nicht anders angegeben.

Diese Art von allgemeiner Spezifikation ist ein effektives Werkzeug für mehrere Designer, die an ähnlichen Entwürfen arbeiten oder in großen Organisationen wie dem Militär.

Während bewährte Spezifikationen Risiken minimieren und einige der mühsamen und wiederholenden Aufgaben aus dem Designprozess nehmen, treten schnell einige Probleme auf. In den frühen Jahren der Elektronikindustrie wurde viel Aufwand in die Entwicklung von Spezifikationen durch große Unternehmen gesteckt, und es gab den natürlichen Wunsch, diese Dokumente PRIVAT zu halten, um einen Wettbewerbsvorteil zu bewahren. Daher waren viele davon urheberrechtlich geschützt und es gab wenig offene Diskussionen oder Erfahrungsaustausch zwischen Organisationen.

Betrachtet man diese Situation aus der Sicht des Platinenherstellers:

• mehrere Kunden liefern unterschiedliche Variationen jedes nur denkbaren Platinenparameters, was es schwierig macht, konsistente Prozesse zu etablieren, und führt zu mehr Test- und Inspektionsaufwand für die gesamte Branche.

• nicht jeder Designer hat ein gründliches Verständnis des Herstellungsprozesses, und manchmal werden Toleranzen ohne wissenschaftliche Grundlage ÜBERspezifiziert, was unnötige Kosten für das Produkt verursacht.

Was wirklich benötigt wird, ist ein Satz generischer Dokumente, die als Standard für die Zuweisung akzeptabler Toleranzen verwendet werden können, die von Designern bei Bedarf überschrieben werden können.

Das ist es, was eine Organisation namens "IPC" für uns entwickelt hat.

Die IPC ist eine "Vereinigung, die die Elektronikindustrien verbindet", und sie entwickelt und pflegt Standards und Richtlinien zu vielen verschiedenen Aspekten der Elektronikindustrie, mit periodischen Überarbeitungen und neuen Veröffentlichungen, die kontinuierlich eingeführt werden, um mit dem technologischen Fortschritt Schritt zu halten. Diese werden von Komitees aus Freiwilligen aus jedem Sektor der Elektronikindustrie entwickelt. Einige der Dokumente sind gemeinsame Veröffentlichungen mit ANSI oder JEDEC, zwei weiteren weltweiten Standardisierungsorganisationen.

Hier ist ein kurzer Blick auf einige der Hauptakteure und ihre Beziehung zum Elektronikentwicklungsprozess:

Quelle: IPC Vereinigung, die Elektronikindustrien verbindet

Ich freue mich berichten zu können, dass nahezu alle alten US-Militärspezifikationen ("Mil-Specs") zugunsten der neuesten IPC-Spezifikationen für obsolet erklärt wurden. Immer mehr Unternehmen übernehmen die IPC als Ausgangspunkt, und wir erreichen allmählich einen Konsens darüber, wie Informationen zwischen Abteilungen reibungslos und zuverlässig kommuniziert werden können.

OK, lassen Sie uns einen Schritt zurücktreten....

Unabhängig davon, wie viel Mühe wir in den Versuch stecken, ein Design zu perfektionieren, wird das tatsächliche Produkt Unvollkommenheiten aufweisen, die aus FERTIGUNGSTOLERANZEN resultieren. Wir müssen wissen, wie zu bestimmen ist:

• Was ist bevorzugt?

• Was ist akzeptabel?

• Was sollte gelöst oder abgelehnt werden?

Die Reihe von Richtlinien und Anforderungen kann für verschiedene Arten von Leiterplatten je nach Art des zu entwerfenden Produkts variieren. Man kann sich leicht vorstellen, dass das, was für eine Leiterplatte in einem preiswerten Spielzeug akzeptabel sein mag, NICHT für Elektronik in einem medizinischen Produkt akzeptabel wäre. Aus diesem Grund sollte der Designer eine von drei Leistungsklassen wählen, um die Akzeptanzkriterien für das Produkt, das er entwirft, festzulegen. Hier ist, wie das IPC die Klasse definiert:

IPC Leistungsklassen

Drei allgemeine Klassen wurden festgelegt, um fortschreitende Steigerungen in der Komplexität, den funktionalen Leistungsanforderungen und der Häufigkeit von Tests/Inspektionen widerzuspiegeln. Es sollte erkannt werden, dass es eine Überlappung von Gerätekategorien in verschiedenen Klassen geben kann. Die Benutzer haben die Verantwortung, im Vertrag oder in der Bestellung anzugeben, welche Leistungsklasse für jedes Produkt erforderlich ist und sollten Ausnahmen zu spezifischen Parametern angeben, wo dies angemessen ist.

IPC Klasse 1: Allgemeine Elektronikprodukte — Umfasst Verbraucherprodukte und einige Computer und Computerperipheriegeräte, die für Anwendungen geeignet sind, bei denen kosmetische Unvollkommenheiten nicht wichtig sind und die Hauptanforderung die Funktion der fertigen Leiterplatte ist.

IPC Klasse 2: Elektronikprodukte für dedizierten Einsatz — Umfasst Kommunikationsausrüstung, anspruchsvolle Geschäftsmaschinen, Instrumente, bei denen hohe Leistung und eine verlängerte Lebensdauer erforderlich sind und bei denen ein unterbrechungsfreier Betrieb gewünscht, aber nicht kritisch ist. Bestimmte kosmetische Unvollkommenheiten sind erlaubt.

IPC Klasse 3: Hochzuverlässige oder für raue Betriebsumgebungen geeignete elektronische Produkte — Umfasst Geräte und Produkte, bei denen eine kontinuierliche Leistung oder Leistung auf Anforderung kritisch ist. Ausfallzeiten der Ausrüstung können nicht toleriert werden und sie müssen funktionieren, wenn erforderlich, wie bei lebenserhaltenden Geräten oder Flugsteuerungssystemen. Gedruckte Platinen in dieser Klasse sind geeignet für Anwendungen, bei denen hohe Zuverlässigkeitsniveaus erforderlich sind und der Service essentiell ist.

Wenn ein Design zur Herstellung von nackten Platinen, Montage und Test herausgegeben wird, sollte die Dokumentation die Leistungsklasse und etwaige Ausnahmen zu spezifischen Parametern angeben.

Eine gute Einführung in das, was eine IPC-Spezifikation ist (und wie die drei Klassen von Platinen verwendet werden), kann auf einen Blick im ANHANG B des Dokuments namens: IPC-6012 QUALIFIKATION UND LEISTUNGSSPEZIFIKATION FÜR STARRE GEDRUCKTE PLATINEN gesehen werden.

Anhang B zeigt die Leistungsanforderungen für starre Platinen in einer abgekürzten Liste und in alphabetischer Reihenfolge. Hier ist ein Auszug, der die Akzeptanz von fünf verschiedenen Merkmalen zeigt:

Quelle: IPC Association Connecting Electronics Industries

Achten Sie darauf, dass einige Bedingungen für die drei Klassen unterschiedliche Kriterien haben, während andere dieselben Kriterien auf alle starren Platinen unabhängig von der Klasse anwenden. Die letzte Spalte verweist auf den zugehörigen Abschnitt des IPC-6012-Dokuments, in dem ausführliche Beschreibungen, besondere Bedingungen und Lehrinformationen gefunden werden können.

Viele andere Publikationen wurden für verschiedene Themen entwickelt, wie zum Beispiel:

Designrichtlinien, Lagerung und Handhabung von Platinen, Qualifikation des Herstellers, Materialerklärung, Stromtragfähigkeit, Technologie eingebetteter Komponenten, Datenformate, Dokumentation, Klebstoffe, Laminatmaterial, Gewebe und Folien, Beschichtung, Schutz von Vias, Markierungstinten, Sauberkeit, BTCs, Flip-Chip, BGAs, Durchkontaktierungen, Landmuster für Oberflächenmontage, Schablonen, Nacharbeit, Optik, Test, Qualität und Zuverlässigkeit, SPC, Thermik, Akzeptanz, Inspektion, Dimensionierung, Netlisten, Hybride, Bohren, Begriffe, Löten, Markierung, Versand, Bleifrei und MEHR...

Es gibt einige IPC-Standards, die ich für jeden Leiterplattendesigner als unerlässlich betrachten würde. Ich erhalte keinerlei finanzielle Entschädigung dafür, dass ich Sie zum Kauf ermutige. Persönlich waren diese Dokumente für mich von unschätzbarem Wert:

IPC-2221 Generischer Standard für das Design von gedruckten Platinen

IPC-2222 Sektionsentwurfsstandard für starre organische Leiterplatten

IPC-7351 Anforderungen für Oberflächenmontage-Design und Landmusterstandard

IPC-6011 Generische Leistungsspezifikation für Leiterplatten

IPC-6012 Qualifikations- und Leistungsspezifikation für starre Platten

IPC-A-600 Akzeptanz von Leiterplatten

IPC-A-610 Akzeptanz von elektronischen Baugruppen

Wenn Ihre Entwürfe spezifische Technologien wie BGAs, HDI, BTCs usw. verwenden, stellen Sie sicher, dass Sie nach Veröffentlichungen zu diesen Themen suchen. Eine vollständige Liste der IPC-Dokumente finden Sie hier.

HINWEIS: Spezifikationen allein garantieren nicht, dass Ihre Platten so sein werden, wie Sie es erwartet haben. Es ist klug, eine Art periodische Überprüfung durchzuführen; dies könnte eine Kombination aus visueller Inspektion, Messung, destruktiver Analyse (oder anderen Testmethoden) und formellen Aussagen von Lieferanten wie "Zertifizierung der Konformität"-Dokumenten sein.

Zusammenfassung

Standards bieten uns eine Grundlage für jeden Aspekt der Produktentwicklung im Zusammenhang mit Leiterplatten, vom Entwurf bis zum abschließenden Test, was die IPC wahrhaftig zu einer "Vereinigung, die die Elektronikindustrien verbindet", macht.

Veröffentlichte Richtlinien beinhalten die wertvollen Erfahrungen von Ingenieuren, die vor uns kamen, deren gemeinsame Beiträge uns einen Konsens zum Aufbauen geben. Spezifikationen bieten uns ein gemeinsames Werkzeug, um die Ergebnisse unserer Designentscheidungen und Fertigungsprozesse zu bewerten. Die effektive Nutzung dieser Werkzeuge wird Ressourcen, Zeit und Kosten sparen.

Da die Technologie fortschreitet, lernen wir mehr, Materialien und Prozesse verbessern sich, Standards und Richtlinien entwickeln sich weiter. Sie sind ermutigt, zu diesen Überarbeitungen beizutragen. Das IPC begrüßt eine breite Vielfalt an Beteiligungen.

Klicken Sie hier, um mehr darüber zu erfahren, wie Sie sich beim IPC engagieren können.

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