Dimensioni del PCB: Tolleranze e l'IPC

Ecco dove affrontiamo coraggiosamente una dura realtà: nulla è perfetto nel mondo reale.

Facciamo del nostro meglio per mantenere l'accuratezza nei nostri progetti di schede elettroniche, ma il processo di produzione genera imperfezioni.

• I nostri sistemi CAD assumono che una punta di trapano sia perfettamente centrata in un pad rotondo. Non lo è mai.

• Dichiariamo larghezze specifiche per le piste e, quando le misuriamo su una scheda reale, sono sempre leggermente più sottili o più spesse del previsto.

• I vari strati sono perfettamente allineati sui nostri schermi del computer, ma i fabbricanti non riescono mai a duplicare esattamente ciò. Ci sarà sempre una certa disallineamento.

• Il design della scheda è presupposto essere piatto, ma le schede nel prodotto finale possono essere incurvate o deformate.

• Abbiamo designato alcune piste per essere a impedenza controllata, ma le nostre misurazioni differiscono

Potremmo continuare all'infinito, ma spero che capiate il punto. Come progettisti, calcoliamo numeri esatti. Progettiamo con precisione. I nostri sistemi CAD ci mostrano la scheda ideale. Nel mondo reale, nulla è così preciso. Il prodotto finale varierà dall'ideale in un modo o nell'altro, sperabilmente in modi che sono innocui.

Come Deciderete Quali Difetti Sono Accettabili?

Misurare un gruppo di prodotti presumibilmente identici mostrerà una certa quantità di variabilità, quindi dobbiamo definire quale intervallo è accettabile per ogni tipo di misurazione e in quale punto o limite dovremmo rifiutare il prodotto come non conforme. Questi intervalli sono chiamati TOLLERANZE.

Ecco un esempio: Supponiamo che ci venga fornito uno schema per un progetto che sarà montato in una scatola metallica, e la dimensione predefinita della scatola è più grande dell'area di cui abbiamo realmente bisogno per i circuiti. Questo tipo di progetto ci lascia abbastanza spazio per lavorare comodamente, posizionando i componenti lontano dal bordo rettangolare della scheda. Il nostro obiettivo è assicurarci che la scheda si adatti all'interno della scatola e che il modello dei fori di montaggio della scheda corrisponda all'hardware di montaggio della scatola. In questa situazione, le dimensioni del bordo della scheda non sono così importanti, e potremmo essere in grado di permetterci una grande tolleranza.

Ora immaginiamo che lo stesso circuito debba essere inserito in una scheda di espansione di dimensione standard per un computer personale e che necessiti di un connettore a bordo metallizzato. In questo scenario, anche se c'è abbondante spazio sulla scheda per i circuiti, le dimensioni del bordo della scheda diventano più critiche e la tolleranza dovrà essere ridotta per assicurarsi che la scheda si adatti correttamente. Una tolleranza minore potrebbe ancora rientrare nel controllo standard del processo di fabbricazione, ma aggiunge complessità, aumenta i costi e rende l'ispezione più difficile.

Ora consideriamo il requisito di inserire il circuito all'interno dei confini di un guscio di cellulare. I nuovi vincoli di dimensione ci lasciano ancora meno spazio sulla scheda con cui lavorare, e le dimensioni diventano più critiche. Il progettista deve definire chiaramente queste aspettative per il fabbricante, e questo design può limitare i partner di produzione disponibili a quelli che sono ripetutamente in grado di mantenere queste tolleranze più strette.

Con questo esempio, speravo di illustrare che lo stesso circuito può avere requisiti diversi in base all'applicazione finale e può avere intervalli di tolleranza differenti. Ma capite che la tolleranza dimensionale del contorno della scheda è solo una caratteristica tra decine. Lo spessore della scheda può essere importante, o lo spessore della placcatura, i diametri dei fori, la registrazione dei layer, l'anello annulare minimo, le proprietà dielettriche, ecc. Ci sono molti parametri che contribuiscono al successo di un progetto, e si dovrebbe prestare attenzione a ciascuno di essi come parte del processo di progettazione di una scheda elettronica.

Ora immaginiamo di aver esaminato ogni modo in cui un parametro della scheda elettronica può variare, definito tolleranze accettabili per ciascuno e raccolto tutti in un documento di specifica. Quando arriva il prossimo progetto potremmo essere in grado di usare parte o tutte le specifiche precedenti, cambiando solo i parametri che differiscono significativamente. In questo modo, un'azienda può aver sviluppato una specifica generale della scheda che si applica alla maggior parte dei suoi prodotti, a meno che non sia specificato diversamente.

Questo tipo di specifica generale è uno strumento efficace per più progettisti che lavorano su progetti simili o in grandi organizzazioni come l'esercito.

Mentre le specifiche consolidate rimuovono il rischio e eliminano alcune delle attività noiose e ripetitive dal processo di progettazione, emergono rapidamente alcuni problemi. Nei primi anni dell'industria elettronica, molte aziende di grandi dimensioni hanno investito molto sforzo nello sviluppo delle specifiche, e c'era un desiderio naturale di mantenere questi documenti PRIVATI per conservare un vantaggio competitivo. Pertanto, molti di essi erano protetti da copyright e vi era poca discussione aperta o condivisione di esperienze tra le organizzazioni.

Osservando questa situazione dal punto di vista del fabbricante di schede:

• diversi clienti forniscono variazioni differenti di ogni parametro immaginabile della scheda, rendendo difficile stabilire processi consistenti e aggiungendo ulteriori controlli e ispezioni a carico dell'intera industria.

• non ogni progettista ha una comprensione approfondita del processo di fabbricazione, e talvolta specificano tolleranze OLTRE il necessario senza una base scientifica, aggiungendo costi non necessari al prodotto.

Quello di cui c'è davvero bisogno è un insieme di documenti generici che possano essere utilizzati come default per assegnare tolleranze accettabili, che possono essere superate dai progettisti quando necessario.

Questo è ciò che un'organizzazione chiamata "IPC" ha sviluppato per noi.

L'IPC è un' "Associazione che Collega le Industrie Elettroniche", e sviluppa e mantiene standard e linee guida su molti aspetti diversi dell'industria elettronica, con revisioni periodiche e nuove pubblicazioni introdotte continuamente per tenere il passo con l'avanzamento tecnologico. Questi sono sviluppati da comitati di volontari provenienti da ogni settore dell'industria elettronica. Alcuni dei documenti sono pubblicazioni congiunte con ANSI o JEDEC, altre due organizzazioni di standard mondiali.

Ecco uno sguardo rapido ad alcuni dei principali attori e alla loro relazione con il processo di sviluppo elettronico:

Fonte: IPC Associazione che Collega le Industrie Elettroniche

Sono felice di riferire che praticamente tutte le vecchie specifiche militari statunitensi ("Mil-Specs") sono state dichiarate obsolete a favore delle ultime specifiche IPC. Sempre più aziende stanno adottando l'IPC come punto di partenza, e stiamo tutti gradualmente raggiungendo un consenso su come comunicare le informazioni tra i dipartimenti in modo fluido e affidabile.

OK, facciamo un passo indietro...

Indipendentemente da quanto sforzo mettiamo nel cercare di perfezionare un progetto, il prodotto finale avrà imperfezioni risultanti dalle TOLLERANZE DI FABBRICAZIONE. Dobbiamo sapere come determinare:

• Cosa è Preferibile?

• Cosa è Accettabile?

• Cosa Dovrebbe Essere Risolto o Rifiutato?

L'insieme di linee guida e requisiti può variare per diversi tipi di schede elettroniche a seconda del tipo di prodotto che viene progettato. Si può facilmente immaginare che ciò che potrebbe essere accettabile per una scheda elettronica in un giocattolo economico, potrebbe NON essere accettabile per l'elettronica in un prodotto medico. Per questo motivo, il progettista dovrebbe scegliere una delle tre Classi di Prestazione per stabilire i criteri di accettabilità per il prodotto che sta progettando. Ecco come l'IPC definisce la Classe:

Classi di Prestazione IPC

Tre classi generali sono state stabilite per riflettere aumenti progressivi in sofisticazione, requisiti di prestazione funzionale e frequenza di test/ispezione. Si dovrebbe riconoscere che può esserci una sovrapposizione di categorie di attrezzature in classi diverse. Gli utenti hanno la responsabilità di specificare nel contratto o nell'ordine di acquisto quale classe di prestazione è richiesta per ogni prodotto e dovrebbero indicare eccezioni a parametri specifici dove appropriato.

Classe IPC 1: Prodotti Elettronici Generali — Include prodotti di consumo e alcuni computer e periferiche di computer adatti per applicazioni dove imperfezioni estetiche non sono importanti e il requisito principale è la funzione della scheda stampata completata.

Classe IPC 2: Prodotti Elettronici per Servizio Dedicato — Include apparecchiature di comunicazione, macchine per ufficio sofisticate, strumenti dove sono richieste alte prestazioni e una lunga durata e per i quali si desidera un servizio ininterrotto ma non è critico. Sono ammesse certe imperfezioni estetiche.

IPC Classe 3: Prodotti elettronici ad alta affidabilità o per ambienti operativi difficili — Include apparecchiature e prodotti dove la continuità di prestazione o la prestazione su richiesta è critica. Il tempo di inattività dell'equipaggiamento non può essere tollerato e deve funzionare quando richiesto, come negli articoli di supporto vitale o nei sistemi di controllo del volo. Le schede stampate in questa classe sono adatte per applicazioni dove sono richiesti alti livelli di assicurazione e il servizio è essenziale.

Quando si invia un progetto per la fabbricazione, l'assemblaggio e il test della scheda nuda, la documentazione dovrebbe indicare la Classe di Prestazione e qualsiasi eccezione a parametri specifici.

Una buona introduzione a cosa sia una specifica IPC (e come vengono utilizzate le tre classi di schede) può essere vista in APPENDICE B del documento chiamato: IPC-6012 QUALIFICAZIONE E SPECIFICHE DI PRESTAZIONE PER SCHEDA STAMPATE RIGIDE.

L'appendice B mostra i requisiti di prestazione per le schede rigide in un elenco abbreviato e in ordine alfabetico. Ecco un estratto che mostra l'accettabilità di cinque caratteristiche diverse:

Fonte: IPC Association Connecting Electronics Industries

Prestare attenzione al fatto che alcune condizioni hanno criteri diversi per le tre classi, ma altre applicano gli stessi criteri a tutte le schede rigide indipendentemente dalla classe. L'ultima colonna indica la sezione associata del documento IPC-6012 dove si possono trovare descrizioni dettagliate, condizioni speciali e informazioni tutorial.

Molte altre pubblicazioni sono state sviluppate per vari argomenti come:

Linee guida per il design, Conservazione e manipolazione delle schede, Qualificazione del produttore, Dichiarazione dei materiali, Capacità di conduzione della corrente, Tecnologia dei componenti integrati, Formati dei dati, Documentazione, Adesivi, Materiale laminato, Tessuti e lamine, Placcatura, Protezione dei via, Inchiostri per marcatura, Pulizia, BTCs, Flip-Chip, BGAs, Through-Hole, Modelli di montaggio superficiale, Stencil, Rilavorazione, Ottico, Test, Qualità e affidabilità, SPC, Termico, Accettabilità, Ispezione, Dimensionamento, Netlist, Ibridi, Foratura, Termini, Saldatura, Marcatura, Spedizione, Senza piombo, e ALTRO...

Ci sono alcuni standard IPC che considererei essenziali per qualsiasi progettista di schede elettroniche. Per la cronaca, non ricevo alcuna compensazione finanziaria per incoraggiarvi ad acquistarli. Personalmente, questi documenti sono stati per me inestimabili:

IPC-2221 Standard generico sul design delle schede stampate

IPC-2222 Norma Sezionale di Progettazione per Schede Stampate Organiche Rigide

IPC-7351 Requisiti per il Design di Montaggio Superficiale e Standard di Pattern di Contatto

IPC-6011 Specifica Generica di Prestazione per le Schede Stampate

IPC-6012 Qualificazione e Specifica di Prestazione per Schede Rigide

IPC-A-600 Accettabilità delle Schede Stampate

IPC-A-610 Accettabilità degli Assemblaggi Elettronici

Se i tuoi progetti utilizzano tecnologie specifiche come BGAs, HDI, BTCs, ecc., assicurati di cercare pubblicazioni su questi argomenti. Un elenco completo dei documenti IPC può essere trovato qui.

NOTA: Le sole specifiche non garantiranno che le tue schede saranno come te le aspettavi. È saggio effettuare qualche tipo di verifica periodica; che potrebbe essere una combinazione di ispezione visiva, misurazione, analisi distruttiva (o altri metodi di test), e dichiarazioni formali dai fornitori come i documenti di "Certificazione di Conformità".

Sommario

Gli standard ci forniscono una base di partenza per ogni aspetto dello sviluppo del prodotto relativo alle schede elettroniche, dalla progettazione al test finale, rendendo l'IPC veramente un'"Associazione che Collega le Industrie Elettroniche".

Le linee guida pubblicate incorporano l'esperienza preziosa degli ingegneri che ci hanno preceduto, i loro contributi condivisi ci offrono un consenso su cui costruire. Le specifiche ci forniscono uno strumento comune per valutare i risultati delle nostre decisioni di progettazione e dei processi di produzione. L'uso efficace di questi strumenti permetterà di risparmiare risorse, tempo e spese.

Man mano che la tecnologia avanza impariamo di più, i materiali e i processi migliorano, gli standard e le linee guida si evolvono. Sei incoraggiato a contribuire a queste revisioni. L'IPC accoglie con favore una vasta varietà di partecipazioni.

Clicca qui per saperne di più su come coinvolgerti con l'IPC.

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