Warum verwenden PCB-Designer IPC-Standards?

Kürzlich wurde ich wieder daran erinnert, wie wichtig Industriestandards für alle sind, die an PCB-Design und -Fertigung beteiligt sind. Alle Industriestandards sind umfangreiche Dokumente mit einer Fülle an Informationen, und niemand kann jeden einzelnen Standard unserer Branche auswendig kennen – noch wird jemals jemand jeden davon tatsächlich anwenden. Doch die Standards, die wir haben, spielen eine außerordentlich wichtige Rolle dabei, Erwartungen für alle Beteiligten in Design und Fertigung festzulegen.

Diese Festlegung von Erwartungen klingt vielleicht so, als würde sie Designer einschränken, tatsächlich bietet sie aber die Sicherheit, dass die von ihnen entworfenen Leiterplatten produziert werden können – sogar in großen Stückzahlen. Ich werde einige Beispiele dafür geben, warum das so wichtig ist und wie sich die Entwicklung von Standards in der Elektronikindustrie im Laufe der Zeit verstehen lässt.

Wie man Vorgaben in IPC-Standards versteht

Ich denke, die Bedeutung von IPC-Standards lässt sich am besten anhand eines Beispiels veranschaulichen.

Dieses Gespräch über IPC-Standards kam kürzlich auf, weil ich über LinkedIn eine Nachricht erhalten habe. In der Nachricht ging es um den Standard IPC-7351, genauer gesagt um die Vorgaben für den Courtyard in Revision B und Revision C. Bilder mit den Courtyard-Vorgaben für ein bedrahtetes Quad-Pack sind in den beiden Abbildungen unten zu sehen.

Die Frage zu diesen beiden Abbildungen ist einfach:

• Welches dieser Courtyard-Designs sollte in einem PCB-Footprint verwendet werden?
• Auch wenn die Frage sehr einfach erscheint, kann die Antwort zugleich einfach und komplex sein!

Zunächst einmal: Die Antwort auf diese konkrete Frage lautet, dass beide Courtyard-Formate verwendet werden können. Courtyards dienen dazu, eine Platzierungsgrenze im PCB-Layout zu standardisieren und den Abstand zwischen Kupfer-Landepads für SMD-Komponenten zu vereinheitlichen. Diese Werte sind für Platzierungen mit niedriger, mittlerer und hoher Dichte definiert. Wenn Sie die Gründe für eine Courtyard-Lage in einem Komponenten-Footprint verstehen, werden Sie die Absicht hinter der Revision IPC-7351C schnell erkennen: Sie standardisiert ein neues Courtyard-Format, um Platzierungen mit höherer Dichte zu ermöglichen.

Dadurch entstehen zwei Erwartungshaltungen:

• PCB-Designer sollten berechtigterweise erwarten, dass jeder, der Footprints als Dienstleistung erstellt oder kostenlose Downloads von Footprints als Service anbietet, diese standardisierte Begrenzung in einer Courtyard-Lage einschließt.
• PCB-Bestücker sollten davon ausgehen, dass Designer Komponenten bis direkt an die im Standard IPC-7351 definierten Courtyard-Grenzen platzieren, und von ihren Bestückungsmöglichkeiten sollte erwartet werden, dass sie dies berücksichtigen.

Im Idealfall berücksichtigen in diesem Beispiel sowohl die Footprint-Ersteller als auch die PCB-Bestücker die Freiräume gemäß IPC-7351C. In diesem speziellen Fall wurden die Vorgaben in Revision C geschaffen, weil Designer dies bei Designs mit höherer Dichte bereits praktizierten und PCB-Bestücker eine solche Platzierung in der SMT-Verarbeitung im Großen und Ganzen bereits umsetzen konnten. Daher wurde der Standard aktualisiert, um diese Erwartungen zwischen allen am PCB-Design und an der Fertigung beteiligten Parteien zu formalisieren.

Weitere Beispiele, bei denen IPC-Standards Erwartungen festlegen

Es gibt viele weitere Beispiele, in denen Standards Erwartungen an Designpraktiken, Zuverlässigkeit, Verifizierung und Sicherheit festlegen. Im Folgenden habe ich einige der wichtigsten Beispiele zusammengestellt.

• Designpraktiken: Ein gutes Beispiel aus dem Hochspannungsdesign sind IPC-2221B und IPC-2221C. Diese Standards geben Mindestabstände zwischen Leitern vor und geben Designern eine gewisse Sicherheit, dass ein Produkt in angemessenem Maß gegen Lichtbogenbildung geschützt ist.
• Materialsubstitutionen: IPC-Slash-Sheets, wie sie in IPC-4101 definiert sind, legen die Kompatibilität von Ersatzmaterialien im Hinblick auf Handhabung und Verarbeitung fest.
• Prüfmethoden: Prüfstandards wurden entwickelt, um sicherzustellen, dass Hersteller unbestückte Leiterplatten, PCBAs und ihre Prozesse mit derselben Gruppe von Tests qualifizieren.
• Zuverlässigkeitsklassifizierung: IPC-Produktklassen stehen im Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit von PCBs und PCBAs. Daraus ergeben sich wiederum bestimmte Design- und Fertigungsstandards, etwa Via-Pad-Größen für minimale Restringbreiten und Anforderungen an die Via-Metallisierungsdicke.

Es gibt neben den IPC-Standards noch weitere Industriestandards, die dieselbe Funktion erfüllen, nämlich Erwartungen festzulegen. So schreiben beispielsweise Ethernet-Standards vor, dass jeder geeignete Ethernet-Transformator eine galvanische Isolation von 2,1 kV bei Spitzenspannung bieten sollte. Ein weiteres gutes Beispiel sind von JEDEC standardisierte Gehäuse, die die Größen von IC-Gehäusen und Anschlussformen definieren. Diese Gehäusestandards für integrierte Schaltungen stellen sicher, dass beispielsweise alle SOIC-8-Gehäuse aus mechanischer Sicht untereinander austauschbar sind.

Müssen PCB-Designer IPC-Standards einhalten?

Die Antwort darauf ist ein wenig komplex. Designer, die IPC-Standards befolgen, haben in der Regel eine deutlich höhere Wahrscheinlichkeit, PCBAs zu erhalten, die zuverlässig sind, sich in großem Maßstab fertigen lassen und sich auch unabhängig als solche verifizieren lassen; das ist ein klarer Anreiz, IPC-Standards überall dort zu befolgen, wo dies möglich oder anwendbar ist.

Es gibt jedoch viele Fälle, in denen Designer aus unterschiedlichen Gründen gegen IPC-Standards verstoßen, ohne dass dies automatisch bedeutet, dass ein Produkt unzuverlässig oder nicht herstellbar ist. Manchmal gehen die in einer PCB umgesetzten Designpraktiken sogar deutlich über die durch IPC standardisierten Anforderungen hinaus, weil ein Unternehmen festgestellt hat, dass genau dies erforderlich ist, um die Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit seiner spezifischen Produkte sicherzustellen. Abweichungen von einem IPC-Standard können durchaus gerechtfertigt sein, und sie bedeuten nicht zwangsläufig, dass ein Produkt deshalb kein Angebot erhält.

Dennoch gilt: Wenn Sie bestimmte IPC-Standards verletzen oder ignorieren, sollten Sie nicht überrascht sein, wenn ein Hersteller erklärt, dass er in bestimmten Bereichen weder Zuverlässigkeit noch Herstellbarkeit in großem Maßstab garantieren kann. Die CAM-Abteilung eines Herstellers wird die Ausgabedaten für die PCB-Fertigung vor der Freigabe eines Designs für die Produktion gründlich prüfen, genau um solche Probleme zu identifizieren und den Designer darüber zu informieren. Auf diese Weise kann sie nicht für ein Produkt haftbar gemacht werden, bei dem sie ein Ausfallrisiko sieht.

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