Dimensions des PCB : Tolérance et l'IPC

Voici où nous affrontons courageusement une réalité sombre - rien n'est parfait dans le monde réel.

Nous faisons de notre mieux pour maintenir la précision dans nos conceptions de cartes électroniques, mais le processus de fabrication produit des imperfections.

• Nos systèmes CAO supposent qu'un foret est parfaitement centré dans un pad rond. Ce n'est jamais le cas.

• Nous déclarons des largeurs de pistes spécifiques, et lorsque nous les mesurons sur une carte réelle, elles sont toujours légèrement plus fines ou plus épaisses que prévu.

• Plusieurs couches sont parfaitement alignées sur nos écrans d'ordinateur, mais les fabricants ne parviennent jamais tout à fait à les dupliquer. Il y aura toujours une certaine désinscription.

• La conception de la carte est supposée être plate, mais les cartes dans le produit final peuvent être courbées ou déformées.

• Nous avons désigné certaines pistes pour être à impédance contrôlée, mais nos mesures diffèrent

Nous pourrions continuer encore et encore, mais j'espère que vous voyez le point. En tant que concepteurs, nous calculons des nombres exacts. Nous concevons avec précision. Nos systèmes CAO nous montrent la carte idéale. Dans le monde réel, rien n'est si précis. Le produit final variera de l'idéal d'une manière ou d'une autre, espérons de manière inoffensive.

Comment Déciderez-vous Quels Défauts Sont Acceptables ?

Mesurer un groupe de produits supposément identiques révélera une certaine variabilité, nous devons donc définir quelle plage est acceptable pour chaque type de mesure et à quel moment ou limite nous devrions rejeter le produit comme non conforme. Ces plages sont appelées TOLÉRANCES.

Voici un exemple : Supposons que nous recevions un schéma pour un design qui sera monté dans une boîte métallique, et que la taille prédéfinie de la boîte est plus grande que l'espace dont nous avons réellement besoin pour le circuit. Ce type de conception nous laisse suffisamment d'espace pour travailler confortablement, en plaçant les composants loin du bord rectangulaire de la carte. Notre objectif est de nous assurer que la carte rentre dans la boîte et que le motif des trous de montage de la carte correspond au matériel de montage de la boîte. Dans cette situation, les dimensions du bord de la carte ne sont pas aussi importantes, et nous pourrions être en mesure d'autoriser une grande tolérance.

Imaginons maintenant que le même circuit doive être intégré sur une carte d'expansion de taille standard pour un ordinateur personnel, et nécessite un connecteur à bord plaqué. Dans ce scénario, même s'il y a amplement d'espace sur le circuit pour les composants, les dimensions du bord de la carte sont plus critiques, et la tolérance devra être réduite pour assurer que la carte s'ajuste correctement. Une tolérance plus petite pourrait encore être dans le contrôle standard du processus de fabrication, mais cela ajoute de la complexité, augmente les coûts et rend l'inspection plus difficile.

Considérons maintenant la nécessité d'intégrer le circuit dans les contraintes d'un boîtier de téléphone portable. Les nouvelles contraintes de taille nous laissent encore moins d'espace sur la carte, et les dimensions sont plus critiques. Le concepteur doit clairement définir ces attentes pour le fabricant, et cette conception peut limiter les partenaires de fabrication disponibles à ceux qui sont capables de maintenir ces tolérances plus serrées de manière répétée.

Avec cet exemple, j'espérais illustrer que le même circuit peut avoir des exigences différentes en fonction de l'application finale, et peut présenter différentes gammes de tolérance. Mais comprenez que la tolérance dimensionnelle du contour de la carte n'est qu'une caractéristique parmi des dizaines. L'épaisseur de la carte peut être importante, ou l'épaisseur du placage, les diamètres des trous, l'alignement des couches, l'anneau annulaire minimal, les propriétés diélectriques, etc. Il y a de nombreux paramètres qui contribuent à un design réussi, et une certaine attention devrait être accordée à chacun d'eux dans le cadre du processus de conception d'une carte de circuit.

Maintenant, imaginons que nous ayons examiné toutes les manières dont un paramètre de carte de circuit peut varier, défini des tolérances acceptables pour chacun, et rassemblé tous ces éléments dans un document de spécification. Lorsque le prochain design se présente, nous pourrions être en mesure d'utiliser une partie ou la totalité de la spécification précédente, en changeant uniquement les paramètres qui diffèrent de manière significative. De cette manière, une entreprise peut avoir développé une spécification générale de carte qui s'applique à la plupart de ses produits, sauf indication contraire.

Ce type de spécification générale est un outil efficace pour plusieurs concepteurs travaillant sur des designs similaires ou dans de grandes organisations comme l'armée.

Alors que des spécifications éprouvées éliminent les risques et retirent certaines des tâches fastidieuses et répétitives du processus de conception, quelques problèmes surgissent rapidement. Dans les premières années de l'industrie électronique, beaucoup d'efforts ont été consacrés au développement de spécifications par de grandes entreprises, et il y avait un désir naturel de garder ces documents PRIVÉS pour maintenir un avantage concurrentiel. Par conséquent, nombre d'entre eux étaient protégés par le droit d'auteur et il y avait peu de discussions ouvertes ou de partage d'expériences entre les organisations.

En regardant cette situation du point de vue du fabricant de cartes :

• plusieurs clients fournissent différentes variations de chaque paramètre de carte imaginable, rendant difficile l'établissement de processus cohérents, et ajoutant plus de tests et d'inspections à l'ensemble de l'industrie.

• chaque concepteur n'a pas une compréhension approfondie du processus de fabrication, et ils spécifient parfois des tolérances SUR-dimensionnées sans base scientifique, ajoutant un coût inutile au produit.

Ce dont nous avons réellement besoin, c'est un ensemble de documents génériques qui peuvent être utilisés par défaut pour attribuer des tolérances acceptables, qui peuvent être outrepassées par les concepteurs si nécessaire.

C'est ce qu'une organisation appelée "IPC" a développé pour nous.

L'IPC est une "Association Connectant les Industries Électroniques", et elle développe et maintient des normes et des directives sur de nombreux aspects différents de l'industrie électronique, avec des révisions périodiques et de nouvelles publications introduites en continu pour suivre le progrès technologique. Celles-ci sont élaborées par des comités de bénévoles issus de chaque secteur de l'industrie électronique. Certains des documents sont des publications conjointes avec l'ANSI ou la JEDEC, deux autres organisations de normes mondiales.

Voici un bref aperçu de certains des principaux acteurs et de leur relation avec le processus de développement électronique :

Source : Association IPC Connectant les Industries Électroniques

Je suis heureux de signaler que pratiquement toutes les anciennes spécifications militaires américaines ("Mil-Specs") ont été déclarées obsolètes au profit des dernières spécifications de l'IPC. De plus en plus d'entreprises adoptent l'IPC comme point de départ, et nous atteignons tous progressivement un consensus sur la manière de communiquer les informations entre les départements de manière fluide et fiable.

OK, faisons un pas en arrière...

Peu importe l'effort que nous consacrons à essayer de perfectionner un design, le produit réel aura des imperfections résultant des TOLÉRANCES DE FABRICATION. Nous devons savoir comment déterminer :

• Qu'est-ce qui est préféré ?

• Qu'est-ce qui est acceptable ?

• Qu'est-ce qui doit être résolu ou rejeté ?

L'ensemble des directives et exigences peut varier pour différents types de cartes de circuits imprimés en fonction du type de produit conçu. On peut facilement imaginer que ce qui pourrait être acceptable pour une carte de circuit dans un jouet bon marché, pourrait NE PAS être acceptable pour des électroniques dans un produit médical. Pour cette raison, le concepteur devrait choisir l'une des trois Classes de Performance pour établir les critères d'acceptabilité pour le produit qu'il est en train de concevoir. Voici comment l'IPC définit la Classe :

Classes de Performance IPC

Trois classes générales ont été établies pour refléter des augmentations progressives en sophistication, exigences de performance fonctionnelle et fréquence des tests/inspections. Il faut reconnaître qu'il peut y avoir un chevauchement des catégories d'équipement dans différentes classes. Les utilisateurs ont la responsabilité de spécifier dans le contrat ou la commande d'achat quelle classe de performance est requise pour chaque produit et devraient indiquer les exceptions aux paramètres spécifiques le cas échéant.

Classe IPC 1 : Produits Électroniques Généraux — Inclut les produits de consommation et certains ordinateurs et périphériques d'ordinateur adaptés pour des applications où les imperfections cosmétiques ne sont pas importantes et l'exigence principale est la fonction de la carte imprimée achevée.

Classe IPC 2 : Produits Électroniques de Service Dédié — Inclut l'équipement de communication, les machines d'affaires sophistiquées, les instruments où des performances élevées et une longue durée de vie sont requises et pour lesquels un service ininterrompu est souhaité mais pas critique. Certaines imperfections cosmétiques sont autorisées.

IPC Classe 3 : Produits électroniques à haute fiabilité ou destinés à des environnements difficiles — Inclut les équipements et produits où la performance continue ou sur demande est critique. Les temps d'arrêt de l'équipement ne peuvent pas être tolérés et doivent fonctionner lorsque requis, comme dans le cas des articles de support de vie ou des systèmes de contrôle de vol. Les cartes imprimées de cette classe conviennent aux applications où des niveaux élevés d'assurance sont requis et le service est essentiel.

Lors de l'envoi d'un design pour la fabrication, l'assemblage et le test de cartes nues, la documentation doit indiquer la Classe de Performance et toute exception aux paramètres spécifiques.

Une bonne introduction à ce qu'est une spécification IPC (et comment les trois classes de cartes sont utilisées) peut être vue en un coup d'œil dans l'ANNEXE B du document appelé : IPC-6012 QUALIFICATION ET SPÉCIFICATION DE PERFORMANCE POUR CARTES IMPRIMÉES RIGIDES.

L'annexe B montre les exigences de performance pour les cartes rigides dans une liste abrégée et par ordre alphabétique. Voici un extrait montrant l'acceptabilité de cinq caractéristiques différentes :

Source : Association IPC Connectant les Industries Électroniques

Faites attention au fait que certaines conditions ont des critères différents pour les trois classes, mais d'autres appliquent les mêmes critères à tous les panneaux rigides, quelle que soit la classe. La dernière colonne renvoie à la section associée du document IPC-6012 où l'on peut trouver des descriptions détaillées, des conditions spéciales et des informations tutorielles.

De nombreuses autres publications ont été développées pour divers sujets tels que :

Directives de conception, Stockage et manipulation des cartes, Qualification du fabricant, Déclaration des matériaux, Capacité de transport de courant, Technologie des composants intégrés, Formats de données, Documentation, Adhésifs, Matériau de stratifié, Tissu et feuilles, Placage, Protection des vias, Encres de marquage, Propreté, BTCs, Flip-Chip, BGAs, Trou traversant, Motifs de montage en surface, Pochoirs, Retravaux, Optique, Test, Qualité et fiabilité, SPC, Thermique, Acceptabilité, Inspection, Dimensionnement, Netlists, Hybrides, Forage, Termes, Soudage, Marquage, Expédition, Sans plomb, et PLUS...

Il y a quelques normes IPC que je considérerais essentielles pour tout concepteur de cartes de circuits. Pour information, je ne reçois aucune compensation financière pour vous encourager à les acheter. Personnellement, ces documents m'ont été inestimables :

IPC-2221 Norme générique sur la conception de cartes imprimées

IPC-2222 Norme de conception sectionnelle pour cartes imprimées organiques rigides

IPC-7351 Exigences pour la conception de montage en surface et la norme de motif de connexion

IPC-6011 Spécification de performance générique pour les cartes imprimées

IPC-6012 Spécification de qualification et de performance pour les cartes rigides

IPC-A-600 Acceptabilité des cartes imprimées

IPC-A-610 Acceptabilité des assemblages électroniques

Si vos conceptions utilisent des technologies spécifiques comme les BGA, HDI, BTC, etc., assurez-vous de rechercher des publications sur ces sujets. Une liste complète des documents IPC peut être trouvée ici.

NOTE : Les spécifications seules ne garantiront pas que vos cartes seront telles que vous les attendiez. Il est judicieux de faire une sorte de vérification périodique ; qui pourrait être une combinaison d'inspection visuelle, de mesure, d'analyse destructive (ou d'autres méthodes de test), et de déclarations formelles de fournisseurs telles que les documents de "Certification de Conformité".

Résumé

Les normes nous donnent une base de départ pour chaque aspect du développement de produit lié aux cartes de circuits imprimés, de la conception au test final, faisant de l'IPC véritablement une "Association Connectant les Industries Électroniques".

Les directives publiées intègrent l'expérience précieuse des ingénieurs qui nous ont précédés, leurs contributions partagées nous offrant un consensus sur lequel construire. Les spécifications nous donnent un outil commun pour évaluer les résultats de nos décisions de conception et de nos processus de fabrication. L'utilisation efficace de ces outils permettra d'économiser des ressources, du temps et des dépenses.

À mesure que la technologie progresse, nous apprenons davantage, les matériaux et les processus s'améliorent, les normes et les directives évoluent. Vous êtes encouragé à contribuer à ces révisions. L'IPC accueille une grande variété de participations.

Cliquez ici pour en savoir plus sur la manière de vous impliquer auprès de l'IPC.

Vous avez d'autres questions sur Altium Designer ? Appelez Altium.