Wymiary PCB: Tolerancja i IPC

Oto miejsce, w którym odważnie stawiamy czoła ponurej rzeczywistości - w realnym świecie nic nie jest doskonałe.

Staramy się zachować dokładność w naszych projektach płytek obwodów, ale proces produkcyjny generuje niedoskonałości.

• Nasze systemy CAD zakładają, że wiertło jest idealnie wycentrowane w okrągłej podkładce. Nigdy tak nie jest.

• Deklarujemy określone szerokości ścieżek, a gdy mierzymy je na rzeczywistej płytce, zawsze są nieco cieńsze lub grubsze niż oczekiwano.

• Wielowarstwowe układy są idealnie wyrównane na naszych ekranach komputerowych, ale producentom nigdy do końca nie udaje się to powtórzyć. Zawsze będzie pewne przesunięcie warstw.

• Założono, że projekt płytki jest płaski, ale płytki w finalnym produkcie mogą być wygięte lub zakrzywione.

• Wybraliśmy niektóre ścieżki jako kontrolowane pod kątem impedancji, ale nasze pomiary różnią się

Moglibyśmy tak mówić w nieskończoność, ale mam nadzieję, że widzisz sens. Jako projektanci, obliczamy dokładne liczby. Projektujemy z precyzją. Nasze systemy CAD pokazują nam idealną płytę. W realnym świecie nic nie jest tak precyzyjne. Końcowy produkt będzie się różnił od ideału w ten czy inny sposób, miejmy nadzieję, że w sposób nieszkodliwy.

Jak zdecydujesz, które wady są akceptowalne?

Pomiar grupy rzekomo identycznych produktów pokaże pewną ilość zmienności, dlatego musimy zdefiniować, jaki zakres jest akceptowalny dla każdego typu pomiaru i w jakim punkcie lub limicie powinniśmy odrzucić produkt jako niezgodny. Te zakresy nazywane są TOLERANCJAMI.

Oto przykład: Załóżmy, że otrzymaliśmy schemat dla projektu, który będzie montowany w metalowym pudełku, a zdefiniowany rozmiar pudełka jest większy niż obszar, którego naprawdę potrzebujemy dla układów elektronicznych. Ten typ projektu pozwala nam na wystarczająco dużo miejsca do wygodnej pracy, umieszczając komponenty z dala od prostokątnego brzegu płytki. Naszym celem jest upewnienie się, że płyta zmieści się w pudełku, a wzór otworów montażowych płyty pasuje do sprzętu montażowego pudełka. W tej sytuacji wymiary krawędzi płyty nie są tak ważne i możemy być w stanie pozwolić na dużą tolerancję.

Wyobraźmy sobie teraz, że ten sam obwód musi zmieścić się na standardowej karcie rozszerzenia do komputera osobistego i wymaga złącza krawędziowego. W tym scenariuszu, nawet jeśli jest wystarczająco dużo miejsca na płytce dla obwodów, wymiary krawędzi płytki są bardziej krytyczne, a tolerancja musi zostać zmniejszona, aby upewnić się, że płyta odpowiednio pasuje. Mniejsza tolerancja może nadal mieścić się w standardowej kontroli procesu produkcyjnego, ale dodaje to złożoności, podnosi koszty i utrudnia inspekcję.

Teraz rozważmy wymóg umieszczenia obwodu w obudowie telefonu komórkowego. Nowe ograniczenia rozmiarów dają nam jeszcze mniej miejsca na płytce, a wymiary są bardziej krytyczne. Projektant musi jasno określić te oczekiwania dla producenta, a ten projekt może ograniczyć dostępnych partnerów produkcyjnych do tych, którzy są w stanie powtarzalnie utrzymywać te ścisłe tolerancje.

Z tym przykładem chciałem zilustrować, że ten sam obwód może mieć różne wymagania w zależności od zastosowania końcowego i może mieć różne zakresy tolerancji. Ale rozumieć należy, że tolerancja wymiarowa obrysu płytki to tylko jedna z wielu cech. Ważna może być grubość płytki, grubość powłoki, średnice otworów, rejestracja warstw, minimalny pierścień anulujący, właściwości dielektryczne itp. Istnieje wiele parametrów, które przyczyniają się do sukcesu projektu, i każdemu z nich należy poświęcić pewną uwagę jako część procesu projektowania płytki drukowanej.

Teraz wyobraźmy sobie, że zbadaliśmy wszystkie możliwe sposoby, w jakie parametr płytki drukowanej może się różnić, zdefiniowaliśmy akceptowalne tolerancje dla każdego z nich i zebraliśmy wszystkie te informacje w dokumencie specyfikacji. Kiedy nadchodzi czas na kolejny projekt, możemy być w stanie wykorzystać część lub całość poprzedniej specyfikacji, zmieniając tylko te parametry, które znacząco się różnią. W ten sposób firma może wypracować ogólną specyfikację płytki, która ma zastosowanie do większości jej produktów, chyba że określono inaczej.

Ten typ ogólnej specyfikacji jest skutecznym narzędziem dla wielu projektantów pracujących nad podobnymi projektami lub w dużych organizacjach, takich jak wojsko.

Podczas gdy sprawdzone specyfikacje eliminują ryzyko i eliminują niektóre z nudnych i powtarzalnych zadań z procesu projektowania, szybko pojawiają się pewne problemy. W pierwszych latach branży elektronicznej dużo wysiłku włożono w rozwijanie specyfikacji przez duże firmy, i istniała naturalna chęć, aby te dokumenty były PRYWATNE, aby utrzymać przewagę konkurencyjną. W związku z tym wiele z nich było chronionych prawem autorskim i było mało otwartej dyskusji czy dzielenia się doświadczeniem między organizacjami.

Patrząc na tę sytuację z punktu widzenia producenta płyt:

• wielu klientów dostarcza różne warianty każdego możliwego parametru płyty, co utrudnia ustalenie spójnych procesów i dodaje więcej testów i kontroli do całej branży.

• nie każdy projektant ma dogłębne zrozumienie procesu produkcyjnego, i czasami nadmiernie określają tolerancje bez naukowego uzasadnienia, dodając niepotrzebne koszty do produktu.

To, czego naprawdę potrzebujemy, to zestaw ogólnych dokumentów, które mogą być używane jako domyślne dla przypisywania akceptowalnych tolerancji, które mogą być zastępowane przez projektantów w razie potrzeby.

To właśnie organizacja o nazwie "IPC" opracowała dla nas.

IPC to "Stowarzyszenie Łączące Przemysł Elektroniczny", które opracowuje i utrzymuje standardy oraz wytyczne dotyczące wielu różnych aspektów przemysłu elektronicznego, z okresową rewizją i ciągłym wprowadzaniem nowych publikacji, aby nadążyć za postępem technologicznym. Są one opracowywane przez komitety wolontariuszy z każdego sektora przemysłu elektronicznego. Niektóre z dokumentów są wspólnymi publikacjami z ANSI lub JEDEC, dwiema innymi światowymi organizacjami standardów.

Oto krótkie spojrzenie na niektórych głównych graczy i ich związek z procesem rozwoju elektroniki:

Źródło: Stowarzyszenie IPC Łączące Przemysł Elektroniczny

Cieszę się, że mogę poinformować, iż praktycznie wszystkie stare amerykańskie specyfikacje wojskowe ("Mil-Specs") zostały uznane za przestarzałe na rzecz najnowszych specyfikacji IPC. Coraz więcej firm przyjmuje IPC jako punkt wyjścia, i stopniowo osiągamy konsensus co do sposobu płynnej i niezawodnej komunikacji informacji między działami.

OK, cofnijmy się o krok...

Niezależnie od tego, ile wysiłku włożymy w próbę udoskonalenia projektu, rzeczywisty produkt będzie miał niedoskonałości wynikające z TOLERANCJI WYTWÓRCZYCH. Musimy wiedzieć, jak określić:

• Co jest preferowane?

• Co jest akceptowalne?

• Co powinno być rozwiązane lub odrzucone?

Zestaw wytycznych i wymagań może się różnić dla różnych typów płyt obwodów w zależności od rodzaju projektowanego produktu. Łatwo można sobie wyobrazić, że to, co może być akceptowalne dla płyty obwodu w taniej zabawce, może NIE być akceptowalne dla elektroniki w produkcie medycznym. Z tego powodu projektant powinien wybrać jedną z trzech Klas Wydajności, aby ustalić kryteria akceptowalności dla projektowanego produktu. Oto jak IPC definiuje Klasę:

Klasy Wydajności IPC

Ustanowiono trzy ogólne klasy, aby odzwierciedlić stopniowe wzrosty w zakresie zaawansowania, wymagań dotyczących funkcjonalnej wydajności oraz częstotliwości testowania/inspekcji. Należy zauważyć, że może występować nakładanie się kategorii sprzętu w różnych klasach. Użytkownicy mają obowiązek określenia w umowie lub zamówieniu, która klasa wydajności jest wymagana dla każdego produktu i powinni wskazać wyjątki od konkretnych parametrów, gdzie jest to odpowiednie.

IPC Klasa 1: Ogólne Produkty Elektroniczne — Zawiera produkty konsumenckie oraz niektóre komputery i peryferia komputerowe odpowiednie dla aplikacji, gdzie niedoskonałości kosmetyczne nie są ważne, a głównym wymaganiem jest funkcja ukończonej płyty drukowanej.

IPC Klasa 2: Produkty Elektroniczne o Specjalnym Zastosowaniu — Zawiera sprzęt komunikacyjny, zaawansowane maszyny biurowe, instrumenty, gdzie wymagana jest wysoka wydajność i przedłużona żywotność oraz gdzie nieprzerwana obsługa jest pożądana, ale nie krytyczna. Pewne niedoskonałości kosmetyczne są dozwolone.

IPC Klasa 3: Produkty elektroniczne o wysokiej niezawodności lub pracujące w trudnych warunkach — Obejmuje sprzęt i produkty, gdzie ciągła praca lub praca na żądanie jest krytyczna. Nie można tolerować przestojów sprzętu, który musi funkcjonować w razie potrzeby, jak w przypadku elementów wspierających życie czy systemów kontroli lotu. Płytki drukowane w tej klasie są odpowiednie dla aplikacji, gdzie wymagany jest wysoki poziom pewności i niezbędna jest ciągła obsługa.

Przy wysyłaniu projektu do produkcji pustych płyt, montażu i testowania, dokumentacja powinna określać Klasę Wydajności oraz wszelkie wyjątki dotyczące konkretnych parametrów.

Dobrym wprowadzeniem do tego, czym jest specyfikacja IPC (i jak używane są trzy klasy płyt) jest APPENDIX B dokumentu o nazwie: IPC-6012 QUALIFICATION AND PERFORMANCE SPECIFICATION FOR RIGID PRINTED BOARDS.

Załącznik B przedstawia wymagania dotyczące wydajności dla sztywnych płyt w skróconej liście i w porządku alfabetycznym. Oto fragment pokazujący akceptowalność pięciu różnych cech:

Źródło: IPC Association Connecting Electronics Industries

Zwróć uwagę na to, że niektóre warunki mają różne kryteria dla trzech klas, ale inne stosują te same kryteria do wszystkich sztywnych płyt niezależnie od klasy. Ostatnia kolumna wskazuje na powiązaną sekcję dokumentu IPC-6012, gdzie można znaleźć obszerne opisy, specjalne warunki i informacje tutorialne.

Wiele innych publikacji zostało opracowanych na różne tematy, takie jak:

Wytyczne projektowe, Przechowywanie i obsługa płyt, Kwalifikacja producenta, Deklaracja materiałowa, Zdolność przenoszenia prądu, Technologia komponentów wbudowanych, Formaty danych, Dokumentacja, Kleje, Materiał laminowany, Tkaniny i folie, Powlekanie, Ochrona via, Tusze do znakowania, Czystość, BTC, Flip-Chip, BGA, Przelotowe, Wzory lądowania dla montażu powierzchniowego, Sztance, Przeróbki, Optyczne, Testowanie, Jakość i niezawodność, SPC, Termiczne, Akceptowalność, Inspekcja, Wymiarowanie, Netlisty, Hybrydy, Wiercenie, Terminologia, Lutowanie, Znakowanie, Wysyłka, Bez ołowiu i WIĘCEJ...

Istnieje kilka standardów IPC, które uważam za niezbędne dla każdego projektanta płytek obwodów. Dla ścisłości, nie otrzymuję żadnych korzyści finansowych za zachęcanie do ich zakupu. Osobiście te dokumenty były dla mnie nieocenione:

IPC-2221 Ogólny standard projektowania płytek drukowanych

IPC-2222 Standard sekcji projektowania dla sztywnych organicznych płyt drukowanych

IPC-7351 Wymagania dla projektowania montażu powierzchniowego i standardu wzorców lądowania

IPC-6011 Ogólna specyfikacja wydajności dla płyt drukowanych

IPC-6012 Kwalifikacja i specyfikacja wydajności dla sztywnych płyt

IPC-A-600 Akceptowalność płyt drukowanych

IPC-A-610 Akceptowalność zespołów elektronicznych

Jeśli twoje projekty wykorzystują specyficzne technologie takie jak BGA, HDI, BTC itp., upewnij się, że szukasz publikacji na te tematy. Pełną listę dokumentów IPC można znaleźć tutaj.

UWAGA: Same specyfikacje nie gwarantują, że twoje płyty będą dokładnie takie, jakich się spodziewałeś. Mądre jest przeprowadzenie pewnego rodzaju okresowej weryfikacji; która może być kombinacją inspekcji wizualnej, pomiarów, analizy destrukcyjnej (lub innych metod testowych) oraz formalnych oświadczeń od dostawców, takich jak dokumenty "Certyfikacji Zgodności".

Podsumowanie

Standardy dają nam punkt wyjścia do każdego aspektu rozwoju produktu związanego z płytami obwodów drukowanych, od projektowania po ostateczny test, czyniąc IPC prawdziwym "Stowarzyszeniem Łączącym Przemysł Elektroniczny".

Opublikowane wytyczne zawierają cenne doświadczenia inżynierów, którzy przyszli przed nami, ich wspólne wkłady dają nam konsensus, na którym możemy budować. Specyfikacje dają nam wspólne narzędzie do oceny wyników naszych decyzji projektowych i procesów produkcyjnych. Skuteczne wykorzystanie tych narzędzi pozwoli zaoszczędzić zasoby, czas i koszty.

W miarę postępu technologii uczymy się więcej, materiały i procesy ulegają poprawie, standardy i wytyczne ewoluują. Zachęca się do udziału w tych rewizjach. IPC przyjmuje szeroki zakres uczestnictwa.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o zaangażowaniu w IPC.

Masz więcej pytań dotyczących Altium Designer? Zadzwoń do Altium.