Dimensões de PCB: Tolerância e o IPC

Aqui é onde confrontamos corajosamente uma realidade sombria - nada é perfeito no mundo real.

Fazemos o nosso melhor para manter a precisão em nossos designs de placas de circuito, mas o processo de fabricação produz imperfeições.

• Nossos sistemas CAD assumem que uma broca está perfeitamente centrada em uma almofada redonda. Nunca está.

• Declaramos larguras de trilhas específicas, e quando as medimos em uma placa real, elas estão sempre um pouco mais finas ou mais grossas do que o esperado.

• Várias camadas estão perfeitamente alinhadas em nossas telas de computador, mas os fabricantes nunca conseguem duplicar isso exatamente. Sempre haverá algum desalinhamento.

• O design da placa é assumido como plano, mas as placas no produto final podem estar empenadas ou deformadas.

• Designamos algumas trilhas para serem controladas por impedância, mas nossas medições diferem

Podemos continuar indefinidamente, mas espero que você veja o ponto. Como designers, calculamos números exatos. Projetamos com precisão. Nossos sistemas CAD nos mostram a placa ideal. No mundo real, nada é tão preciso. O produto final variará do ideal de uma forma ou de outra, esperançosamente de maneiras que sejam inofensivas.

Como Você Decidirá Quais Defeitos São Aceitáveis?

Medir um grupo de produtos supostamente idênticos mostrará alguma quantidade de variabilidade, então precisamos definir qual faixa é aceitável para cada tipo de medição e em que ponto ou limite devemos rejeitar o produto como não conforme. Essas faixas são chamadas de TOLERÂNCIAS.

Aqui está um exemplo: Vamos supor que nos foi dado um esquemático para um design que será montado em uma caixa metálica, e o tamanho pré-definido da caixa é maior do que a área que realmente precisamos para a circuitaria. Esse tipo de design nos permite espaço suficiente para trabalhar confortavelmente, posicionando componentes longe da borda retangular da placa. Nosso objetivo é garantir que a placa caiba dentro da caixa e que o padrão dos furos de montagem da placa se ajuste ao hardware de montagem da caixa. Nesta situação, as dimensões da borda da placa não são tão importantes, e podemos ser capazes de permitir uma grande tolerância.

Agora, vamos imaginar que o mesmo circuito precise ser ajustado em um cartão de expansão de tamanho padrão para um computador pessoal e necessite de um conector de borda metalizado. Neste cenário, mesmo que haja bastante área de placa para a circuiteria, as dimensões da borda da placa são mais críticas, e a tolerância terá que ser reduzida para garantir que a placa se encaixe adequadamente. Uma tolerância menor ainda pode estar dentro do controle padrão do processo de fabricação, mas adiciona complexidade, aumenta o custo e torna a inspeção mais difícil.

Agora, vamos considerar a exigência de embalar o circuito dentro dos limites de uma caixa de celular. As novas restrições de tamanho nos dão ainda menos área de placa para trabalhar, e as dimensões são mais críticas. O designer deve definir claramente essas expectativas para o fabricante, e este design pode limitar os parceiros de fabricação disponíveis àqueles que são repetidamente capazes de manter essas tolerâncias mais apertadas.

Com este exemplo, eu esperava ilustrar que o mesmo circuito pode ter requisitos diferentes baseados na aplicação final, e pode ter diferentes faixas de tolerância. Mas entenda que a tolerância dimensional do contorno da placa é apenas uma característica entre dezenas. A espessura da placa pode ser importante, ou a espessura do revestimento, diâmetros dos furos, registro de camadas, anel anular mínimo, propriedades dielétricas, etc. Há muitos parâmetros que contribuem para um design de sucesso, e alguma atenção deve ser dada a cada um deles como parte do processo de desenhar uma placa de circuito.

Agora, vamos imaginar que examinamos todas as maneiras nas quais um parâmetro de placa de circuito pode variar, definimos tolerâncias aceitáveis para cada um, e coletamos todos eles em um documento de especificação. Quando o próximo design surgir, podemos ser capazes de usar parte ou toda a especificação anterior, mudando apenas os parâmetros que diferem significativamente. Desta forma, uma empresa pode ter evoluído uma especificação geral de placa que se aplica à maioria de seus produtos, a menos que especificado de outra forma.

Este tipo de especificação geral é uma ferramenta eficaz para múltiplos designers trabalhando em designs similares ou em grandes organizações como o militar.

Enquanto especificações comprovadas removem riscos e eliminam algumas das tarefas tediosas e repetitivas do processo de design, alguns problemas surgem rapidamente. Nos primeiros anos da indústria eletrônica, muito esforço foi dedicado ao desenvolvimento de especificações por grandes empresas, e havia um desejo natural de manter esses documentos PRIVADOS para manter uma vantagem competitiva. Portanto, muitos deles eram protegidos por direitos autorais e havia pouca discussão aberta ou compartilhamento de experiências entre organizações.

Olhando para esta situação do ponto de vista do fabricante de placas:

• vários clientes estão fornecendo diferentes variações de cada parâmetro de placa imaginável, tornando difícil estabelecer processos consistentes e adicionando mais testes e inspeção ao custo total da indústria.

• nem todo designer tem um entendimento completo do processo de fabricação, e às vezes eles ESPECIFICAM tolerâncias sem uma base científica, adicionando custos desnecessários ao produto.

O que é realmente necessário é um conjunto de documentos genéricos que possam ser usados como padrão para atribuir tolerâncias aceitáveis, que podem ser substituídas pelos designers quando necessário.

É isso que uma organização chamada "IPC" desenvolveu para nós.

A IPC é uma "Associação Conectando as Indústrias Eletrônicas", e eles desenvolvem e mantêm padrões e diretrizes sobre muitos aspectos diferentes da indústria eletrônica, com revisões periódicas e novas publicações sendo introduzidas continuamente para acompanhar o avanço tecnológico. Estes são desenvolvidos por comitês de voluntários de todos os setores da indústria eletrônica. Alguns dos documentos são publicações conjuntas com a ANSI ou JEDEC, duas outras organizações de padrões mundiais.

Aqui está um breve olhar sobre alguns dos principais players e sua relação com o processo de desenvolvimento eletrônico:

Fonte: Associação IPC Conectando as Indústrias Eletrônicas

Estou feliz em relatar que praticamente todas as antigas especificações militares dos EUA ("Mil-Specs") foram declaradas obsoletas em favor das últimas especificações da IPC. Cada vez mais empresas estão adotando a IPC como ponto de partida, e todos estamos gradualmente chegando a um consenso sobre como comunicar informações entre departamentos de maneira suave e confiável.

OK, Vamos dar um passo para trás....

Independentemente de quanto esforço colocamos em tentar aperfeiçoar um design, o produto real terá imperfeições resultantes de TOLERÂNCIAS DE FABRICAÇÃO. Precisamos saber como determinar:

• O Que É Preferível?

• O Que É Aceitável?

• O Que Deve Ser Resolvido Ou Rejeitado?

O conjunto de diretrizes e requisitos pode variar para diferentes tipos de placas de circuito dependendo do tipo de produto que está sendo projetado. Você pode facilmente imaginar que o que pode ser aceitável para uma placa de circuito em um brinquedo barato, pode NÃO ser aceitável para eletrônicos em um produto médico. Por essa razão, o designer deve escolher uma das três Classes de Desempenho para estabelecer os critérios de aceitabilidade para o produto que está projetando. Aqui está como o IPC define Classe:

Classes de Desempenho do IPC

Três classes gerais foram estabelecidas para refletir aumentos progressivos em sofisticação, requisitos de desempenho funcional e frequência de testes/inspeções. Deve ser reconhecido que pode haver uma sobreposição de categorias de equipamentos em diferentes classes. Os usuários têm a responsabilidade de especificar no contrato ou pedido de compra qual classe de desempenho é requerida para cada produto e devem indicar exceções a parâmetros específicos quando apropriado.

Classe IPC 1: Produtos Eletrônicos Gerais — Inclui produtos de consumo e alguns computadores e periféricos de computador adequados para aplicações onde imperfeições cosméticas não são importantes e o principal requisito é a função da placa de circuito impresso completa.

Classe IPC 2: Produtos Eletrônicos de Serviço Dedicado — Inclui equipamentos de comunicação, máquinas comerciais sofisticadas, instrumentos onde alto desempenho e vida útil estendida são requeridos e para os quais o serviço ininterrupto é desejado, mas não crítico. Certas imperfeições cosméticas são permitidas.

IPC Classe 3: Produtos Eletrônicos de Alta Confiabilidade ou Ambiente Operacional Severo — Inclui equipamentos e produtos onde o desempenho contínuo ou sob demanda é crítico. A inatividade do equipamento não pode ser tolerada e deve funcionar quando necessário, como em itens de suporte à vida ou sistemas de controle de voo. Placas impressas nesta classe são adequadas para aplicações onde altos níveis de garantia são necessários e o serviço é essencial.

Ao enviar um projeto para fabricação, montagem e teste de placas nuas, a documentação deve indicar a Classe de Desempenho e quaisquer exceções a parâmetros específicos.

Uma boa introdução ao que é uma especificação IPC (e como as três classes de placas são usadas) pode ser vista de relance no APÊNDICE B do documento chamado: IPC-6012 QUALIFICAÇÃO E ESPECIFICAÇÃO DE DESEMPENHO PARA PLACAS IMPRESSAS RÍGIDAS.

O Apêndice B mostra os requisitos de desempenho para placas rígidas em uma lista abreviada e em ordem alfabética. Aqui está um trecho mostrando a aceitabilidade de cinco características diferentes:

Fonte: Associação IPC Conectando Indústrias Eletrônicas

Preste atenção ao fato de que algumas condições têm critérios diferentes para as três classes, mas outras aplicam os mesmos critérios a todas as placas rígidas, independentemente da classe. A última coluna aponta para a seção associada do documento IPC-6012, onde descrições detalhadas, condições especiais e informações tutoriais podem ser encontradas.

Muitas outras publicações foram desenvolvidas para vários assuntos, tais como:

Diretrizes de Design, Armazenamento e Manuseio de Placas, Qualificação do Fabricante, Declaração de Material, Capacidade de Condução de Corrente, Tecnologia de Componentes Embutidos, Formatos de Dados, Documentação, Adesivos, Material Laminado, Tecido e Folhas, Plaqueamento, Proteção de Vias, Tintas de Marcação, Limpeza, BTCs, Flip-Chip, BGAs, Through-Hole, Padrões de Terra para Montagem Superficial, Estênceis, Retrabalho, Óptico, Teste, Qualidade e Confiabilidade, SPC, Térmico, Aceitabilidade, Inspeção, Dimensionamento, Netlists, Híbridos, Perfuração, Termos, Soldagem, Marcação, Envio, Livre de Chumbo, e MAIS...

Existem alguns padrões IPC que eu consideraria essenciais para qualquer projetista de placas de circuito. Para constar, não recebo nenhuma compensação financeira por incentivá-lo a comprá-los. Pessoalmente, esses documentos foram inestimáveis para mim:

IPC-2221 Padrão Genérico sobre Design de Placas Impressas

IPC-2222 Norma Seccional de Projeto para Placas Impressas Orgânicas Rígidas

IPC-7351 Requisitos para Projeto de Montagem Superficial e Padrão de Desenho de Pads

IPC-6011 Especificação de Desempenho Genérica para Placas Impressas

IPC-6012 Qualificação e Especificação de Desempenho para Placas Rígidas

IPC-A-600 Aceitabilidade de Placas Impressas

IPC-A-610 Aceitabilidade de Montagens Eletrônicas

Se seus projetos utilizam tecnologias específicas como BGAs, HDI, BTCs, etc, certifique-se de procurar publicações sobre esses assuntos. Uma lista completa dos documentos IPC pode ser encontrada aqui.

NOTA: As especificações por si só não garantirão que suas placas sejam o que você esperava que elas fossem. É prudente fazer algum tipo de verificação periódica; que pode ser uma combinação de inspeção visual, medição, análise destrutiva (ou outros métodos de teste) e declarações formais de fornecedores, como documentos de "Certificação de Conformidade".

Resumo

Os padrões nos oferecem uma base inicial para cada aspecto do desenvolvimento de produtos relacionados a placas de circuito, desde o projeto até o teste final, fazendo do IPC verdadeiramente uma "Associação Conectando as Indústrias Eletrônicas".

As diretrizes publicadas incorporam a valiosa experiência de engenheiros que nos precederam, suas contribuições compartilhadas nos dão um consenso para construir. As especificações nos fornecem uma ferramenta comum para avaliar os resultados de nossas decisões de design e processos de fabricação. O uso eficaz dessas ferramentas economizará recursos, tempo e despesas.

À medida que a tecnologia avança, aprendemos mais, materiais e processos melhoram, padrões e diretrizes evoluem. Você é encorajado a contribuir para essas revisões. O IPC acolhe uma ampla variedade de participações.

Clique aqui para Saber Mais Sobre Como se Envolver com o IPC.

Tem mais perguntas sobre o Altium Designer? Ligue para Altium.