PCB 치수: 허용 오차 및 IPC

여기서 우리는 냉정한 현실과 대면합니다 - 실제 세계에서 완벽한 것은 없습니다.

우리는 회로 기판 디자인의 정확성을 유지하기 위해 최선을 다하지만, 제조 과정에서는 불완전함이 생깁니다.

• CAD 시스템은 드릴이 둥근 패드 중앙에 완벽하게 위치한다고 가정하지만, 실제로는 그렇지 않습니다.

• 우리는 특정 트레이스 너비를 선언하고, 실제 보드에서 측정하면 항상 예상보다 약간 얇거나 두껍습니다.

• 여러 레이어가 컴퓨터 화면에서는 완벽하게 정렬되어 보이지만, 제조업체는 그것을 정확히 복제하는 것을 결코 관리할 수 없습니다. 항상 어느 정도의 미스레지스트레이션이 있을 것입니다.

• 보드 디자인은 평평하다고 가정되지만, 최종 제품에서 보드는 휘어지거나 변형될 수 있습니다.

• 우리는 일부 트레이스를 임피던스 제어로 지정했지만, 우리의 측정값은 다릅니다

계속해서 말할 수 있지만, 포인트를 이해하시길 바랍니다. 디자이너로서, 우리는 정확한 숫자를 계산합니다. 우리는 정밀하게 디자인합니다. 우리의 CAD 시스템은 이상적인 보드를 보여줍니다. 실제 세계에서는 그렇게 정밀한 것은 없습니다. 최종 제품은 어떤 방식으로든 이상적인 것과 다를 것이며, 희망적으로는 해가 되지 않는 방식으로 다를 것입니다.

어떤 결함이 받아들일 수 있는지 어떻게 결정하시겠습니까?

동일하다고 가정된 일련의 제품을 측정하면 일정량의 변동성이 나타나므로, 각 측정 유형에 대해 어느 범위가 허용 가능한지, 그리고 어느 지점이나 한계에서 제품을 부적합으로 거부해야 하는지를 정의해야 합니다. 이러한 범위를 허용 오차라고 합니다.

예를 들어 보겠습니다: 금속 상자에 장착될 설계도가 주어졌다고 가정해 봅시다. 그리고 미리 정의된 상자 크기가 회로에 실제로 필요한 영역보다 큽니다. 이러한 유형의 설계는 우리에게 충분한 작업 공간을 제공하여, 구성 요소를 직사각형 보드 가장자리에서 멀리 배치할 수 있습니다. 우리의 목표는 보드가 상자 안에 들어맞고 보드의 장착 구멍 패턴이 상자의 장착 하드웨어에 맞도록 하는 것입니다. 이 상황에서는 보드 가장자리의 치수가 그리 중요하지 않으며, 큰 허용 오차를 허용할 수 있을지도 모릅니다.

이제 같은 회로가 개인 컴퓨터용 표준 크기 확장 카드에 맞도록 하고 도금된 엣지 커넥터가 필요하다고 상상해 봅시다. 이 시나리오에서는 회로를 위한 보드 면적이 충분하더라도 보드 가장자리의 치수가 더 중요해지며, 보드가 제대로 맞도록 하기 위해 허용 오차를 줄여야 합니다. 더 작은 허용 오차는 여전히 표준 제조 공정 제어 내에 있을 수 있지만, 복잡성을 추가하고 비용을 증가시키며 검사를 더 어렵게 만듭니다.

이제 회로를 휴대폰 케이스의 제한된 공간에 포장해야 한다는 요구 사항을 고려해 봅시다. 새로운 크기 제약은 우리에게 더 적은 보드 면적을 사용할 수 있게 하며, 치수는 더 중요해집니다. 디자이너는 이러한 기대를 제조업체에 명확히 정의해야 하며, 이 디자인은 이러한 더 타이트한 허용 오차를 반복적으로 유지할 수 있는 제조 파트너에게만 제한될 수 있습니다.

이 예시를 통해, 동일한 회로가 최종 사용 애플리케이션에 따라 다른 요구 사항을 가질 수 있으며, 다른 허용 오차 범위를 가질 수 있음을 보여주고자 했습니다. 하지만 보드 윤곽의 치수 허용 오차가 수십 가지 특성 중 하나에 불과하다는 것을 이해해야 합니다. 보드 두께가 중요할 수도 있고, 도금 두께, 구멍 지름, 레이어 정렬, 최소 연결고리, 유전 특성 등이 중요할 수 있습니다. 성공적인 설계에 기여하는 많은 파라미터들이 있으며, 회로 기판을 설계하는 과정의 일부로 각각에 대해 일정한 주의를 기울여야 합니다.

이제 우리가 회로 기판 파라미터가 변할 수 있는 모든 방식을 검토하고, 각각에 대해 허용 가능한 허용 오차를 정의하고, 모든 것을 사양 문서로 수집했다고 상상해 봅시다. 다음 설계가 진행될 때 이전 사양의 일부 또는 전부를 사용할 수 있게 되며, 상당히 다른 파라미터만 변경하면 됩니다. 이런 방식으로, 회사는 대부분의 제품에 적용되는 일반 보드 사양을 발전시켰을 수 있습니다, 달리 명시되지 않는 한.

이러한 유형의 일반 사양은 유사한 설계 작업을 하는 여러 디자이너나 군대와 같은 대규모 조직에서 효과적인 도구입니다.

검증된 사양이 위험을 제거하고 설계 과정에서 지루하고 반복적인 작업을 일부 제거해주지만, 몇 가지 문제가 빠르게 발생합니다. 전자 산업의 초기 몇 년 동안, 대기업들은 사양 개발에 많은 노력을 기울였고, 이러한 문서를 PRIVATE으로 유지하여 경쟁 우위를 유지하려는 자연스러운 욕구가 있었습니다. 따라서, 많은 문서들이 저작권으로 보호되었고, 조직 간에 개방적인 토론이나 경험 공유가 거의 없었습니다.

이 상황을 기판 제조업자의 관점에서 보면:

• 여러 고객이 상상할 수 있는 모든 기판 파라미터의 다양한 변형을 제공하여 일관된 공정을 확립하기 어렵게 만들고, 전체 산업에 더 많은 테스트와 검사 부담을 추가합니다.

• 모든 설계자가 제조 과정을 철저히 이해하는 것은 아니며, 때로는 과학적 근거 없이 공차를 OVER-specify하여 제품에 불필요한 비용을 추가합니다.

정말 필요한 것은 설계자가 필요할 때 덮어쓸 수 있는, 수용 가능한 공차를 지정하는 데 사용할 수 있는 일반 문서 세트입니다.

그것이 바로 "IPC"라는 조직이 우리를 위해 개발한 것입니다.

IPC는 "전자 산업을 연결하는 협회"이며, 전자 산업의 다양한 측면에 대한 표준과 지침을 개발하고 유지합니다. 기술 발전에 발맞추어 주기적으로 개정되고 새로운 출판물이 지속적으로 소개됩니다. 이러한 표준은 전자 산업의 모든 분야에서 온 자원봉사 위원회에 의해 개발됩니다. 일부 문서는 ANSI 또는 JEDEC과 같은 다른 세계적인 표준 기구와의 공동 출판물입니다.

전자 개발 과정과 관련된 주요 참여자들과 그들의 관계에 대한 간략한 살펴보기입니다:

출처: IPC 전자 산업을 연결하는 협회

예전 미국 군사 규격("Mil-Specs")이 거의 모두 최신 IPC 규격을 선호하여 폐기되었다는 사실을 보고하게 되어 기쁩니다. 점점 더 많은 회사들이 IPC를 출발점으로 채택하고 있으며, 우리는 부서 간에 정보를 원활하고 신뢰성 있게 전달하는 방법에 대한 합의에 점차 도달하고 있습니다.

잠깐, 한 걸음 뒤로 물러나 봅시다....

우리가 설계를 완벽하게 하려고 노력해도 실제 제품에는 제조 공차로 인한 불완전함이 있을 것입니다. 우리는 다음을 결정하는 방법을 알아야 합니다:

• 선호되는 것은 무엇인가?

• 수용 가능한 것은 무엇인가?

• 해결되거나 거부되어야 할 것은 무엇인가?

제품의 종류에 따라 회로 기판에 대한 지침 및 요구 사항이 다를 수 있습니다. 저렴한 장난감의 회로 기판에 허용될 수 있는 것이 의료 제품의 전자 제품에는 허용되지 않을 수 있음을 쉽게 상상할 수 있습니다. 이러한 이유로, 디자이너는 설계하는 제품에 대한 수용 기준을 설정하기 위해 세 가지 성능 등급 중 하나를 선택해야 합니다. 다음은 IPC가 클래스를 정의하는 방법입니다:

IPC 성능 등급

점진적인 복잡성 증가, 기능적 성능 요구 사항 및 테스트/검사 빈도를 반영하기 위해 세 가지 일반 등급이 설정되었습니다. 다른 클래스에서 장비 범주가 겹칠 수 있음을 인식해야 합니다. 사용자는 계약이나 구매 주문서에 각 제품에 필요한 성능 등급을 명시하고 적절한 경우 특정 매개변수에 대한 예외를 표시할 책임이 있습니다.

IPC 클래스 1: 일반 전자 제품 — 소비자 제품 및 일부 컴퓨터 및 컴퓨터 주변기기가 포함되며, 외관상의 결함이 중요하지 않고 완성된 인쇄 회로 기판의 기능이 주요 요구 사항인 응용 프로그램에 적합합니다.

IPC 클래스 2: 전용 서비스 전자 제품 — 통신 장비, 고급 비즈니스 기계, 고성능과 연장된 수명이 요구되며 중단 없는 서비스가 원하는 것이지만 필수적이지 않은 기기가 포함됩니다. 특정 외관상의 결함이 허용됩니다.

IPC 클래스 3: 고신뢰성 또는 가혹한 운영 환경 전자 제품 — 지속적인 성능 또는 수요 시 성능이 중요한 장비와 제품을 포함합니다. 장비 다운타임은 용납될 수 없으며, 생명 유지 장치나 비행 제어 시스템과 같이 필요할 때 기능해야 합니다. 이 클래스의 인쇄 회로 기판은 높은 수준의 보증이 요구되고 서비스가 필수적인 응용 프로그램에 적합합니다.

베어 보드 제작, 조립 및 테스트를 위해 디자인을 보낼 때, 문서에는 성능 클래스와 특정 파라미터에 대한 예외를 명시해야 합니다.

IPC 사양이 무엇이며 (그리고 보드의 세 가지 클래스가 어떻게 사용되는지)에 대한 좋은 소개는 문서 IPC-6012 RIGID PRINTED BOARDS의 자격 및 성능 사양에서 APPENDIX B를 한눈에 볼 수 있습니다.

부록 B는 알파벳 순서로 축약된 목록과 함께 강성 보드의 성능 요구 사항을 보여줍니다. 다음은 다섯 가지 다른 특성의 수용 가능성을 보여주는 발췌문입니다:

출처: IPC Association Connecting Electronics Industries

세 가지 클래스에 대해 일부 조건은 다른 기준을 가지고 있지만, 다른 조건들은 클래스에 관계없이 모든 강성 보드에 동일한 기준을 적용합니다. 마지막 열은 IPC-6012 문서의 관련 섹션을 가리키며, 여기에는 긴 설명, 특별한 조건, 그리고 튜토리얼 정보가 포함되어 있습니다.

다양한 주제에 대해 개발된 많은 다른 출판물이 있습니다:

디자인 지침, 보드 저장 및 취급, 제조업체 자격, 재료 선언, 전류 운반 능력, 내장형 구성 요소 기술, 데이터 형식, 문서화, 접착제, 라미네이트 재료, 직물 및 호일, 도금, 비아 보호, 마킹 잉크, 청결도, BTCs, 플립칩, BGAs, 스루홀, 표면 실장 랜드 패턴, 스텐실, 재작업, 광학, 테스트, 품질 및 신뢰성, SPC, 열, 수용성, 검사, 치수 측정, 넷리스트, 하이브리드, 드릴링, 용어, 솔더링, 마킹, 배송, 무연, 그리고 더 많은 것들...

회로 보드 디자이너에게 필수적이라고 생각하는 몇 가지 IPC 표준이 있습니다. 말씀드리자면, 이들을 구매하도록 권장함으로써 저는 어떠한 금전적 보상도 받지 않습니다. 개인적으로, 이 문서들은 저에게 매우 귀중했습니다:

IPC-2221 인쇄 보드 디자인에 관한 일반 표준

IPC-2222 강성 유기 인쇄 회로 기판을 위한 분과 설계 표준

IPC-7351 표면 실장 설계 및 랜드 패턴 표준 요구 사항

IPC-6011 인쇄 회로 기판에 대한 일반 성능 사양

IPC-6012 강성 기판에 대한 자격 및 성능 사양

IPC-A-600 인쇄 회로 기판의 수용성

IPC-A-610 전자 조립의 수용성

설계에서 BGA, HDI, BTC 등과 같은 특정 기술을 사용하는 경우 해당 주제에 대한 출판물을 찾아보십시오. IPC 문서의 전체 목록은 여기에서 찾을 수 있습니다.

참고: 사양만으로는 기판이 예상대로 될 것이라는 보장이 없습니다. 주기적인 검증을 하는 것이 현명합니다; 이는 시각적 검사, 측정, 파괴 분석(또는 기타 테스트 방법) 및 "규격 준수 증명" 문서와 같은 공급업체의 공식 진술의 조합일 수 있습니다.

요약

표준은 회로 기판의 설계부터 최종 테스트에 이르기까지 제품 개발의 모든 측면에 대한 기초를 제공하여 IPC를 진정으로 "전자 산업을 연결하는 협회"로 만듭니다.

게시된 지침은 우리 앞에 있던 엔지니어들의 소중한 경험을 담고 있으며, 그들의 공유된 기여는 우리가 기반을 마련할 수 있는 합의를 제공합니다. 사양은 우리의 설계 결정과 제조 공정의 결과를 평가하는 공통 도구를 제공합니다. 이러한 도구를 효과적으로 사용하면 자원, 시간, 비용을 절약할 수 있습니다.

기술이 발전함에 따라 우리는 더 많은 것을 배우고, 재료와 공정이 개선되며, 표준과 지침이 진화합니다. 이러한 개정에 기여할 것을 권장합니다. IPC는 다양한 참여를 환영합니다.

IPC에 참여하는 방법에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요.

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