ここで、我々は厳しい現実に大胆に立ち向かいます - 実世界で完璧なものなどありません。
回路基板の設計において正確性を保つために最善を尽くしていますが、製造プロセスは不完全さを生み出します。
CADシステムはドリルが円形のパッドの中心に完璧に配置されていると仮定しますが、それは決してありません。
特定のトレース幅を宣言し、実際の基板でそれを測定すると、常に予想よりもわずかに薄かったり厚かったりします。
複数の層はコンピュータ画面上で完璧に整列していますが、製造業者はそれを完全に複製することは決してできません。常に何らかのミスレジストレーションが存在します。
基板設計は平らであると仮定されますが、最終製品の基板は反ったり歪んだりすることがあります。
一部のトレースをインピーダンス制御と指定しましたが、私たちの測定値は異なります
延々と話を続けることができますが、ポイントを理解していただけることを願っています。設計者として、私たちは正確な数字を計算します。精密に設計します。CADシステムは理想の基板を示してくれます。実世界では、何もかもがそんなに正確ではありません。最終製品は理想とは何らかの方法で異なるでしょうが、願わくばそれが無害な方法であることを願います。
同じ製品のグループを測定すると、ある程度の変動が見られるため、各種測定に対して許容される範囲を定義し、どの点または限界で製品を不適合として拒否するかを決定する必要があります。これらの範囲を許容差と呼びます。
例を挙げましょう:金属製の箱に取り付ける設計の回路図が与えられたとしますが、事前に定義された箱のサイズは、回路に実際に必要な領域よりも大きいとします。このタイプの設計では、部品を長方形のボードの端から離して快適に作業できる十分なスペースがあります。私たちの目標は、ボードが箱の内部に収まり、ボードの取り付け穴のパターンが箱の取り付けハードウェアに合うようにすることです。この状況では、ボードの端の寸法はそれほど重要ではなく、大きな許容差を許容できるかもしれません。
では、同じ回路をパーソナルコンピューター用の標準サイズの拡張カードに収める必要があり、メッキされたエッジコネクタが必要だと想像してみましょう。このシナリオでは、回路に十分なボードエリアがあっても、ボードのエッジの寸法がより重要になり、ボードが適切にフィットするように許容差を小さくする必要があります。小さな許容差は、標準の製造プロセス制御内に収まるかもしれませんが、複雑さを増し、コストを上げ、検査をより困難にします。
次に、回路を携帯電話の筐体の制約内にパッケージするという要件を考えてみましょう。新しいサイズの制約により、作業できるボードエリアはさらに少なくなり、寸法はより重要になります。設計者は、これらの期待を製造業者に明確に定義し、この設計は、これらの厳しい許容差を繰り返し維持できる製造パートナーに限定されるかもしれません。
この例で私が示したかったのは、同じ回路が最終使用用途に基づいて異なる要件を持ち、異なる許容範囲を持つ可能性があるということです。しかし、ボードの外形寸法の許容差は、数十ある特性の中の一つに過ぎないことを理解してください。ボードの厚さ、めっきの厚さ、穴の直径、層の登録、最小環状リング、誘電特性などが重要な場合があります。成功した設計に貢献するパラメーターは多くあり、それぞれに対してある程度の注意を払うべきです。
さて、回路基板のパラメーターがどのように変化するかをすべて調べ、それぞれに対して許容される許容差を定義し、それらをすべて仕様書にまとめたと想像してみましょう。次の設計が来たとき、前の仕様の全部または一部を使用できるかもしれませんが、大きく異なるパラメーターのみを変更します。この方法により、会社はほとんどの製品に適用される一般的なボード仕様を進化させることができます。
このタイプの一般的な仕様は、類似の設計に取り組む複数の設計者や、軍事組織のような大規模な組織にとって効果的なツールです。
実証された仕様はリスクを取り除き、設計プロセスから退屈で繰り返しの作業の一部を省くことができますが、すぐにいくつかの問題が生じます。電子業界の初期の年には、大企業によって仕様の開発に多くの努力が注がれ、これらの文書をプライベートに保持して競争上の優位性を維持する自然な願望がありました。したがって、多くの文書が著作権で保護され、組織間での経験のオープンな議論や共有はほとんどありませんでした。
この状況をボード製造業者の視点から見ると:
複数の顧客が想像できるすべてのボードパラメータの異なるバリエーションを提供しており、一貫したプロセスを確立することが難しく、業界全体にさらなるテストと検査のオーバーヘッドを追加しています。
すべての設計者が製造プロセスを十分に理解しているわけではなく、科学的根拠なしに許容差を過剰に指定することがあり、製品に不必要なコストを追加しています。
本当に必要なのは、許容される許容差を割り当てるためのデフォルトとして使用できる一連の汎用文書であり、必要に応じて設計者が上書きできるものです。
それが「IPC」と呼ばれる組織が私たちのために開発したものです。
IPCは「エレクトロニクス産業をつなぐ協会」であり、電子産業のさまざまな側面に関する基準やガイドラインを開発および維持しています。技術の進歩に合わせて、定期的な改訂と新しい出版物が継続的に導入されています。これらは、電子産業のあらゆるセクターからのボランティアの委員会によって開発されます。一部の文書は、ANSIやJEDECといった他の世界的な標準化団体との共同出版物です。
ここでは、主要なプレイヤーとその電子開発プロセスへの関係を簡単に見てみましょう:
出典:IPC Association Connecting Electronics Industries
米国の旧軍事仕様(「Mil-Specs」)がほとんどが最新のIPC仕様に置き換えられ、廃止されたことを報告できることを嬉しく思います。ますます多くの企業がIPCを出発点として採用し、部門間で情報をスムーズかつ確実に伝達する方法について、徐々に合意に達しつつあります。
さて、一歩引いてみましょう...
どれだけ努力をしても、実際の製品には製造公差による不完全さが生じます。次のことを知る必要があります:
何が望ましいか?
何が許容されるか?
何を解決または拒否すべきか?
回路基板のガイドラインと要件は、設計される製品の種類によって異なる場合があります。安価なおもちゃの回路基板で許容されることが、医療製品の電子機器では許容されないかもしれないことは容易に想像できます。このため、設計者は製品の受容基準を確立するために、3つのパフォーマンスクラスのうちの1つを選択すべきです。ここでは、IPCがクラスを定義する方法です:
3つの一般的なクラスが設定されており、それぞれが洗練度、機能性能要件、およびテスト/検査頻度の進行的な増加を反映しています。異なるクラスで装置のカテゴリーが重複する場合があることが認識されるべきです。ユーザーは契約または購入注文で各製品に必要なパフォーマンスクラスを指定する責任があり、適切な場合は特定のパラメーターの例外を示すべきです。
IPCクラス1: 一般電子製品 — 消費者製品や一部のコンピュータおよびコンピュータ周辺機器が含まれ、外観の不具合が重要でなく、完成したプリント基板の機能が主要な要件であるアプリケーションに適しています。
IPCクラス2: 専用サービス電子製品 — 通信機器、高度なビジネスマシン、高性能と長寿命が求められ、中断されることなくサービスが望まれるが重要ではない機器が含まれます。一定の外観上の不具合が許容されます。
IPCクラス3:高信頼性または過酷な動作環境の電子製品 — 継続的な性能または要求時の性能が重要な機器や製品を含みます。機器のダウンタイムは許容されず、必要時に機能する必要があります。例えば、生命維持装置や飛行制御システムなどです。このクラスのプリント基板は、高いレベルの保証が求められ、サービスが不可欠なアプリケーションに適しています。
製造前の設計をベアボードの製造、組み立て、テストに出す際には、文書にパフォーマンスクラスと特定のパラメータへの例外を明記する必要があります。
IPC仕様とは何か(および3つのクラスのボードがどのように使用されるか)についての良い導入は、文書「IPC-6012 剛性プリントボードの資格と性能仕様」のAPPENDIX Bで一目で確認できます。
Appendix Bでは、剛性ボードの性能要件を簡略化されたリストとアルファベット順で示しています。以下は、5つの異なる特性の受容性を示す抜粋です:
出典:IPC Association Connecting Electronics Industries
注意すべき点は、いくつかの条件が3つのクラスで異なる基準を持つ一方で、他の条件はクラスに関係なく全てのリジッドボードに同じ基準を適用するということです。最後の列は、詳細な説明、特別な条件、およびチュートリアル情報が見つかるIPC-6012文書の関連セクションを指しています。
さまざまな主題に関して開発された多くの他の出版物があります:
設計ガイドライン、ボードの保管と取り扱い、製造業者の資格、材料宣言、電流容量、組み込みコンポーネント技術、データ形式、文書化、接着剤、積層材料、ファブリックと箔、めっき、ビア保護、マーキングインク、清潔度、BTCs、フリップチップ、BGAs、スルーホール、表面実装ランドパターン、ステンシル、リワーク、光学、テスト、品質と信頼性、SPC、熱、受容性、検査、寸法付け、ネットリスト、ハイブリッド、ドリリング、用語、はんだ付け、マーキング、出荷、無鉛、その他多数...
私が回路基板デザイナーにとって不可欠だと考えるIPC標準がいくつかあります。念のために言っておきますが、これらを購入することを勧めることで私が金銭的な報酬を受け取ることはありません。個人的に、これらの文書は私にとって非常に価値がありました:
IPC-2221 印刷基板設計に関する一般標準
IPC-2222 剛性有機プリント基板のための区分設計標準
IPC-7351 表面実装設計およびランドパターン標準の要件
IPC-6011 プリント基板のための一般的な性能仕様
IPC-6012 剛性基板のための資格および性能仕様
IPC-A-600 プリント基板の受入れ可能性
IPC-A-610 電子組立の受入れ可能性
BGA、HDI、BTCなど特定の技術を使用する設計の場合は、それらの主題に関する出版物を探してください。IPC文書の完全なリストはこちらで見つけることができます。
注: 仕様だけでは、基板が期待通りになるとは限りません。定期的な検証を行うことが賢明です。これには、視覚検査、測定、破壊分析(または他のテスト方法)、および「コンプライアンス証明」文書など、サプライヤーからの正式な声明の組み合わせが含まれる場合があります。
基準は、設計から最終テストに至るまでの製品開発のあらゆる側面に対して出発点を提供し、IPCを真に「電子産業をつなぐ協会」としています。
公開されたガイドラインは、私たちの前にいたエンジニアの貴重な経験を取り入れており、彼らの共有された貢献によって、私たちは共通の基盤を築くことができます。仕様書は、設計決定と製造プロセスの結果を評価するための共通のツールを提供します。これらのツールを効果的に使用することで、リソース、時間、および費用を節約できます。
技術が進歩するにつれて、私たちはより多くを学び、材料とプロセスが改善され、標準とガイドラインが進化します。これらの改訂に貢献することが奨励されます。IPCは、さまざまな参加を歓迎します。
こちらをクリックして、IPCへの関与についてもっと学びましょう。
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