Dimensiones de PCB: Tolerancia y el IPC

Aquí es donde confrontamos audazmente una cruda realidad: nada es perfecto en el mundo real.

Hacemos nuestro mejor esfuerzo para mantener la precisión en nuestros diseños de placas de circuito, pero el proceso de fabricación produce imperfecciones.

• Nuestros sistemas CAD asumen que un taladro está perfectamente centrado en un pad redondo. Nunca lo está.

• Declaramos anchuras específicas de pistas, y cuando las medimos en una placa real, siempre son un poco más delgadas o gruesas de lo esperado.

• Varias capas están perfectamente alineadas en nuestras pantallas de computadora, pero los fabricantes nunca logran duplicarlo exactamente. Siempre habrá algún desajuste.

• Se asume que el diseño de la placa es plano, pero las placas en el producto final pueden estar curvadas o deformadas.

• Designamos algunas pistas para que fueran de impedancia controlada, pero nuestras mediciones difieren

Podríamos seguir y seguir, pero espero que veas el punto. Como diseñadores, calculamos números exactos. Diseñamos con precisión. Nuestros sistemas CAD nos muestran la placa ideal. En el mundo real, nada es tan preciso. El producto final variará de lo ideal de una forma u otra, esperemos que de maneras que sean inofensivas.

¿Cómo Decidirás Cuáles Defectos Son Aceptables?

Medir un grupo de productos supuestamente idénticos mostrará cierta cantidad de variabilidad, por lo que necesitamos definir qué rango es aceptable para cada tipo de medición y en qué punto o límite deberíamos rechazar el producto por no conformarse. Estos rangos se llaman TOLERANCIAS.

He aquí un ejemplo: Supongamos que se nos da un esquemático para un diseño que será montado en una caja metálica, y el tamaño predefinido de la caja es mayor que el área que realmente necesitamos para la circuitería. Este tipo de diseño nos permite suficiente espacio para trabajar cómodamente, colocando componentes lejos del borde rectangular de la placa. Nuestro objetivo es asegurarnos de que la placa encaje dentro de la caja y que el patrón de agujeros de montaje de la placa se ajuste al hardware de montaje de la caja. En esta situación, las dimensiones del borde de la placa no son tan importantes, y podríamos permitirnos una gran tolerancia.

Ahora imaginemos que el mismo circuito debe caber en una tarjeta de expansión de tamaño estándar para una computadora personal y necesita un conector de borde metalizado. En este escenario, incluso si hay suficiente área de placa para la circuitería, las dimensiones del borde de la placa son más críticas, y la tolerancia tendrá que reducirse para asegurar que la placa encaje correctamente. Una tolerancia más pequeña podría seguir estando dentro del control estándar del proceso de fabricación, pero añade complejidad, aumenta el costo y hace que la inspección sea más difícil.

Ahora consideremos el requisito de empaquetar el circuito dentro de los confines de una carcasa de teléfono celular. Las nuevas restricciones de tamaño nos dan aún menos área de placa con la que trabajar, y las dimensiones son más críticas. El diseñador debe definir claramente estas expectativas para el fabricante, y este diseño puede limitar los socios de fabricación disponibles a aquellos que son capaces de mantener repetidamente estas tolerancias más ajustadas.

Con este ejemplo, esperaba ilustrar que el mismo circuito puede tener requisitos diferentes basados en la aplicación final, y puede tener diferentes rangos de tolerancia. Pero entiendan que la tolerancia dimensional del contorno de la placa es solo una característica entre docenas. El grosor de la placa puede ser importante, o el grosor del recubrimiento, diámetros de los agujeros, registro de capas, anillo anular mínimo, propiedades dieléctricas, etc. Hay muchos parámetros que contribuyen a un diseño exitoso, y se debe prestar atención a cada uno de ellos como parte del proceso de diseñar una placa de circuito.

Ahora imaginemos que hemos examinado todas las formas en que un parámetro de la placa de circuito puede variar, definido tolerancias aceptables para cada uno, y recopilado todos ellos en un documento de especificación. Cuando llegue el próximo diseño, podríamos ser capaces de usar parte o toda la especificación anterior, cambiando solo los parámetros que difieren significativamente. De esta manera, una empresa puede haber evolucionado una especificación general de placa que se aplica a la mayoría de sus productos, a menos que se especifique lo contrario.

Este tipo de especificación general es una herramienta efectiva para múltiples diseñadores que trabajan en diseños similares o en organizaciones grandes como el ejército.

Mientras que las especificaciones probadas eliminan riesgos y quitan algunas de las tareas tediosas y repetitivas del proceso de diseño, rápidamente surgen algunos problemas. En los primeros años de la industria electrónica, se invirtió mucho esfuerzo en desarrollar especificaciones por parte de grandes empresas, y había un deseo natural de mantener estos documentos PRIVADOS para mantener una ventaja competitiva. Por lo tanto, muchos de ellos estaban protegidos por derechos de autor y había poca discusión abierta o intercambio de experiencias entre organizaciones.

Viendo esta situación desde el punto de vista del fabricante de placas:

• varios clientes están proporcionando diferentes variaciones de cada parámetro de la placa imaginable, lo que dificulta establecer procesos consistentes y añade más pruebas e inspección a toda la industria.

• no todos los diseñadores tienen un entendimiento profundo del proceso de fabricación, y a veces ESPECIFICAN en exceso las tolerancias sin una base científica, añadiendo costos innecesarios al producto.

Lo que realmente se necesita es un conjunto de documentos genéricos que puedan usarse como predeterminados para asignar tolerancias aceptables, que puedan ser anuladas por los diseñadores cuando sea necesario.

Eso es lo que una organización llamada "IPC" ha desarrollado para nosotros.

La IPC es una "Asociación que Conecta las Industrias Electrónicas", y desarrollan y mantienen estándares y directrices sobre muchos aspectos diferentes de la industria electrónica, con revisiones periódicas y nuevas publicaciones que se introducen continuamente para mantenerse al día con el avance tecnológico. Estos son desarrollados por comités de voluntarios de cada sector de la industria electrónica. Algunos de los documentos son publicaciones conjuntas con ANSI o JEDEC, otras dos organizaciones de estándares mundiales.

Aquí hay un breve vistazo a algunos de los principales actores y su relación con el proceso de desarrollo electrónico:

Fuente: Asociación IPC Conectando las Industrias Electrónicas

Me complace informar que prácticamente todas las antiguas especificaciones militares de EE. UU. ("Mil-Specs") han sido declaradas obsoletas en favor de las últimas especificaciones de la IPC. Cada vez más empresas están adoptando la IPC como punto de partida, y todos estamos llegando gradualmente a un consenso sobre cómo comunicar información entre departamentos de manera suave y confiable.

OK, Retrocedamos un poco....

Independientemente del esfuerzo que pongamos en tratar de perfeccionar un diseño, el producto real tendrá imperfecciones resultantes de las TOLERANCIAS DE FABRICACIÓN. Necesitamos saber cómo determinar:

• ¿Qué es Preferible?

• ¿Qué es Aceptable?

• ¿Qué Debe Resolverse o Rechazarse?

El conjunto de directrices y requisitos puede variar para diferentes tipos de placas de circuito dependiendo del tipo de producto que se esté diseñando. Fácilmente se puede imaginar que lo que podría ser aceptable para una placa de circuito en un juguete barato, podría NO ser aceptable para la electrónica en un producto médico. Por esta razón, el diseñador debe elegir una de tres Clases de Rendimiento para establecer los criterios de aceptabilidad para el producto que está diseñando. Aquí está cómo el IPC define la Clase:

Clases de Rendimiento del IPC

Se han establecido tres clases generales para reflejar aumentos progresivos en sofisticación, requisitos de rendimiento funcional y frecuencia de pruebas/inspección. Se debe reconocer que puede haber una superposición de categorías de equipos en diferentes clases. Los usuarios tienen la responsabilidad de especificar en el contrato o pedido de compra qué clase de rendimiento se requiere para cada producto y deben indicar excepciones a parámetros específicos cuando sea apropiado.

Clase IPC 1: Productos Electrónicos Generales — Incluye productos de consumo y algunos computadores y periféricos de computadora adecuados para aplicaciones donde las imperfecciones cosméticas no son importantes y el requisito principal es la función de la placa impresa completada.

Clase IPC 2: Productos Electrónicos de Servicio Dedicado — Incluye equipos de comunicaciones, máquinas de negocios sofisticadas, instrumentos donde se requiere un alto rendimiento y una vida extendida y para los cuales se desea un servicio ininterrumpido pero no es crítico. Se permiten ciertas imperfecciones cosméticas.

IPC Clase 3: Productos electrónicos de alta fiabilidad o entornos operativos difíciles — Incluye el equipo y los productos donde el rendimiento continuo o el rendimiento bajo demanda es crítico. No se puede tolerar el tiempo de inactividad del equipo y debe funcionar cuando se requiera, como en artículos de soporte vital o sistemas de control de vuelo. Las placas impresas en esta clase son adecuadas para aplicaciones donde se requieren altos niveles de aseguramiento y el servicio es esencial.

Al enviar un diseño para la fabricación de placas desnudas, ensamblaje y prueba, la documentación debe indicar la Clase de Rendimiento y cualquier excepción a parámetros específicos.

Una buena introducción a lo que es una especificación IPC (y cómo se utilizan las tres clases de placas) se puede ver de un vistazo en el APÉNDICE B del documento llamado: IPC-6012 CALIFICACIÓN Y ESPECIFICACIÓN DE RENDIMIENTO PARA PLACAS IMPRESAS RÍGIDAS.

El Apéndice B muestra los requisitos de rendimiento para placas rígidas en una lista abreviada y en orden alfabético. Aquí hay un extracto que muestra la aceptabilidad de cinco características diferentes:

Fuente: Asociación IPC Conectando las Industrias Electrónicas

Preste atención al hecho de que algunas condiciones tienen diferentes criterios para las tres clases, pero otras aplican los mismos criterios a todas las placas rígidas independientemente de la clase. La última columna señala la sección asociada del documento IPC-6012 donde se pueden encontrar descripciones extensas, condiciones especiales e información tutorial.

Muchas otras publicaciones han sido desarrolladas para diversos temas tales como:

Guías de Diseño, Almacenamiento y Manejo de Placas, Calificación del Fabricante, Declaración de Materiales, Capacidad de Conducción de Corriente, Tecnología de Componentes Integrados, Formatos de Datos, Documentación, Adhesivos, Material Laminado, Tela y Láminas, Chapado, Protección de Vías, Tintas de Marcado, Limpieza, BTCs, Flip-Chip, BGAs, Pasante, Patrones de Montaje Superficial, Plantillas, Reparación, Óptico, Prueba, Calidad y Fiabilidad, SPC, Térmico, Aceptabilidad, Inspección, Dimensionamiento, Netlists, Híbridos, Perforación, Términos, Soldadura, Marcado, Envío, Libre de Plomo, y MÁS...

Hay algunos estándares de IPC que consideraría esenciales para cualquier diseñador de placas de circuito. Para que conste, no recibo ninguna compensación financiera por animarles a comprarlos. Personalmente, estos documentos han sido invaluables para mí:

IPC-2221 Norma Genérica sobre Diseño de Placas Impresas

IPC-2222 Norma de Diseño Seccional para Tarjetas Impresas Orgánicas Rígidas

IPC-7351 Requisitos para el Diseño de Montaje Superficial y Estándar de Patrones de Conexión

IPC-6011 Especificación de Rendimiento Genérico para Tarjetas Impresas

IPC-6012 Calificación y Especificación de Rendimiento para Tarjetas Rígidas

IPC-A-600 Aceptabilidad de Tarjetas Impresas

IPC-A-610 Aceptabilidad de Ensamblajes Electrónicos

Si tus diseños utilizan tecnologías específicas como BGAs, HDI, BTCs, etc., asegúrate de buscar publicaciones sobre esos temas. Una lista completa de documentos de IPC se puede encontrar aquí.

NOTA: Las especificaciones por sí solas no garantizarán que tus tarjetas sean lo que esperabas. Es prudente realizar algún tipo de verificación periódica; que podría ser alguna combinación de inspección visual, medición, análisis destructivo (u otros métodos de prueba) y declaraciones formales de proveedores como documentos de "Certificación de Cumplimiento".

Resumen

Los estándares nos dan una base inicial para cada aspecto del desarrollo de productos relacionados con tarjetas de circuito desde el diseño hasta la prueba final, haciendo del IPC verdaderamente una "Asociación Conectando las Industrias Electrónicas".

Las directrices publicadas incorporan la valiosa experiencia de los ingenieros que nos precedieron, cuyas contribuciones compartidas nos ofrecen un consenso sobre el cual construir. Las especificaciones nos proporcionan una herramienta común para evaluar los resultados de nuestras decisiones de diseño y procesos de fabricación. El uso efectivo de estas herramientas ahorrará recursos, tiempo y gastos.

A medida que la tecnología avanza, aprendemos más, los materiales y procesos mejoran, los estándares y directrices evolucionan. Se te anima a contribuir a estas revisiones. El IPC acoge con satisfacción una amplia variedad de participaciones.

Haz clic aquí para aprender más sobre cómo involucrarte con el IPC.

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