Размеры печатных плат: Допуски и IPC

Вот где мы смело сталкиваемся с мрачной реальностью - в реальном мире ничто не идеально.

Мы делаем всё возможное, чтобы поддерживать точность в наших конструкциях печатных плат, но процесс производства порождает несовершенства.

• Наши CAD-системы предполагают, что сверло будет идеально центрировано в круглом пэде. Но это никогда не так.

• Мы указываем конкретные ширины дорожек, и когда мы измеряем их на фактической плате, они всегда немного уже или шире, чем ожидалось.

• Многослойные конструкции идеально выровнены на наших компьютерных экранах, но производителям никогда не удаётся точно их воспроизвести. Всегда будет некоторое несоответствие слоёв.

• Дизайн платы предполагается плоским, но платы в готовом продукте могут быть изогнутыми или искривлёнными.

• Мы определили некоторые дорожки как контролируемые по импедансу, но наши измерения отличаются

Мы могли бы продолжать бесконечно, но надеюсь, вы понимаете суть. Как дизайнеры, мы рассчитываем точные числа. Мы проектируем с точностью. Наши CAD-системы показывают нам идеальную плату. В реальном мире ничего не так точно. Готовый продукт будет отличаться от идеала тем или иным образом, надеемся, что в безвредных пределах.

Как Вы Будете Решать, Какие Дефекты Приемлемы?

Измерение группы предположительно идентичных продуктов покажет некоторое количество вариабельности, поэтому нам нужно определить, какой диапазон является приемлемым для каждого типа измерения и при каком пределе мы должны отклонить продукт как несоответствующий. Эти диапазоны называются ДОПУСКАМИ.

Вот пример: Допустим, нам дана схема для проекта, который будет установлен в металлическом корпусе, и предопределенный размер корпуса больше, чем нам действительно нужно для электроники. Этот тип проекта предоставляет нам достаточно места для комфортной работы, позволяя размещать компоненты вдали от прямоугольного края платы. Наша цель - убедиться, что плата помещается внутри корпуса и что отверстия для крепления платы соответствуют крепежу корпуса. В этой ситуации размеры края платы не так важны, и мы можем позволить себе большой допуск.

Теперь представим, что та же схема должна поместиться на стандартной расширительной карте для персонального компьютера и требует покрытого краевого соединителя. В этом сценарии, даже если площадь платы для схемы вполне достаточна, размеры края платы становятся более критичными, и допуск придется уменьшить, чтобы убедиться, что плата подходит как надо. Меньший допуск может все еще находиться в пределах стандартного контроля производственного процесса, но это добавляет сложности, увеличивает стоимость и затрудняет инспекцию.

Теперь рассмотрим требование упаковать схему в ограниченное пространство корпуса мобильного телефона. Новые ограничения по размеру дают нам еще меньше площади для платы, и размеры становятся более критичными. Конструктор должен четко определить эти ожидания для производителя, и этот дизайн может ограничить доступных производственных партнеров теми, кто способен повторно поддерживать эти более строгие допуски.

С этим примером я хотел показать, что одна и та же схема может иметь разные требования в зависимости от конечного применения и может иметь разные допуски. Но понимайте, что допуск размеров контура платы - это лишь одна из десятков характеристик. Важной может быть толщина платы, толщина покрытия, диаметры отверстий, совмещение слоев, минимальное кольцевое поле, диэлектрические свойства и т.д. Есть множество параметров, которые влияют на успешность конструкции, и к каждому из них следует отнестись с вниманием как к части процесса проектирования печатной платы.

Теперь представим, что мы рассмотрели все возможные варианты изменения параметров печатной платы, определили приемлемые допуски для каждого из них и собрали все это в документ со спецификациями. Когда появится следующий проект, мы сможем использовать часть или всю предыдущую спецификацию, изменяя только значительно отличающиеся параметры. Таким образом, компания может разработать общую спецификацию платы, которая применяется к большинству ее продуктов, если не указано иное.

Такой тип общей спецификации является эффективным инструментом для нескольких дизайнеров, работающих над похожими проектами, или в крупных организациях, таких как военные.

Хотя проверенные спецификации снижают риск и избавляют от некоторых утомительных и повторяющихся задач в процессе проектирования, быстро возникает несколько проблем. В первые годы индустрии электроники большие компании прилагали много усилий для разработки спецификаций, и естественно возникало желание держать эти документы в ЧАСТНОМ порядке, чтобы сохранить конкурентное преимущество. Поэтому многие из них были авторски защищены, и между организациями было мало открытого обсуждения или обмена опытом.

Смотря на эту ситуацию с точки зрения производителя плат:

• множество клиентов предоставляют различные вариации каждого возможного параметра платы, что затрудняет установление последовательных процессов и добавляет дополнительные затраты на тестирование и инспекцию во всей индустрии.

• не каждый дизайнер имеет глубокое понимание процесса производства, и иногда они ЧРЕЗМЕРНО указывают допуски без научного обоснования, добавляя ненужные затраты к продукту.

На самом деле нужен набор общих документов, которые можно было бы использовать в качестве стандарта для назначения приемлемых допусков, которые дизайнеры могли бы изменять по необходимости.

Вот что разработала для нас организация под названием "IPC".

IPC - это "Ассоциация, связывающая индустрии электроники", и она разрабатывает и поддерживает стандарты и руководства по многим различным аспектам электронной индустрии, с периодическим пересмотром и введением новых публикаций для соответствия технологическому прогрессу. Эти стандарты разрабатываются комитетами добровольцев из каждого сектора электронной индустрии. Некоторые документы являются совместными публикациями с ANSI или JEDEC, двумя другими мировыми организациями стандартов.

Вот краткий обзор некоторых ключевых игроков и их отношения к процессу разработки электроники:

Источник: Ассоциация IPC, связывающая индустрии электроники

Мне радостно сообщить, что практически все старые военные спецификации США ("Mil-Specs") были объявлены устаревшими в пользу последних спецификаций IPC. Все больше и больше компаний принимают IPC в качестве отправной точки, и мы все постепенно приходим к консенсусу о том, как гладко и надежно обмениваться информацией между отделами.

Хорошо, давайте сделаем шаг назад....

Независимо от того, сколько усилий мы прилагаем к попыткам совершенствовать дизайн, фактический продукт будет иметь несовершенства, возникающие из-за ДОПУСКОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ. Нам нужно знать, как определить:

• Что предпочтительно?

• Что приемлемо?

• Что должно быть разрешено или отклонено?

Набор руководящих принципов и требований может варьироваться для различных типов печатных плат в зависимости от типа разрабатываемого продукта. Легко представить, что то, что может быть приемлемым для печатной платы в недорогой игрушке, может НЕ быть приемлемым для электроники в медицинском изделии. По этой причине дизайнер должен выбрать один из трех Классов Производительности, чтобы установить критерии приемлемости для разрабатываемого им продукта. Вот как IPC определяет Класс:

Классы Производительности IPC

Были установлены три общих класса, отражающих постепенное увеличение сложности, требований к функциональной производительности и частоты тестирования/инспекции. Следует признать, что может быть перекрытие категорий оборудования в разных классах. Пользователи несут ответственность за указание в контракте или заказе на покупку, какой класс производительности требуется для каждого продукта, и должны указывать исключения для конкретных параметров, где это уместно.

Класс IPC 1: Общие Электронные Изделия — Включает потребительскую продукцию и некоторые компьютеры и периферийные устройства, подходящие для приложений, где косметические дефекты не важны, а основным требованием является функционирование готовой печатной платы.

Класс IPC 2: Электронные Изделия Специального Назначения — Включает оборудование связи, сложное офисное оборудование, приборы, где требуются высокая производительность и продолжительный срок службы, и для которых желательна, но не критична непрерывная работа. Допускаются определенные косметические дефекты.

IPC Класс 3: Высоконадежные изделия или изделия, работающие в суровых условиях — Включает оборудование и продукты, для которых критично постоянное функционирование или функционирование по требованию. Простои оборудования недопустимы, и оно должно функционировать, когда это требуется, например, в элементах жизнеобеспечения или системах управления полетом. Печатные платы этого класса подходят для приложений, где требуются высокие уровни гарантий, и обслуживание является существенным.

При отправке проекта на изготовление голой платы, сборку и тестирование документация должна указывать Класс Производительности и любые исключения для конкретных параметров.

Хорошее введение в то, что такое спецификация IPC (и как используются три класса плат), можно увидеть на первый взгляд в ПРИЛОЖЕНИИ B документа под названием: IPC-6012 КВАЛИФИКАЦИЯ И СПЕЦИФИКАЦИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ ЖЕСТКИХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ.

Приложение B демонстрирует требования к производительности жестких плат в сокращенном списке и в алфавитном порядке. Вот выдержка, показывающая приемлемость пяти различных характеристик:

Источник: Ассоциация IPC Соединяющая Электронные Промышленности

Обратите внимание на то, что некоторые условия имеют разные критерии для трех классов, но другие применяют одинаковые критерии ко всем жестким платам независимо от класса. Последняя колонка указывает на соответствующий раздел документа IPC-6012, где можно найти подробные описания, специальные условия и учебную информацию.

Было разработано множество других публикаций по различным темам, таким как:

Руководства по проектированию, Хранение и обращение с платами, Квалификация производителя, Декларация материалов, Способность к проведению тока, Технология встроенных компонентов, Форматы данных, Документация, Клеи, Ламинатные материалы, Ткани и фольги, Гальваника, Защита переходных отверстий, Чернила для маркировки, Чистота, BTCs, Flip-Chip, BGAs, Сквозные отверстия, Паттерны для поверхностного монтажа, Трафареты, Переделка, Оптические, Тестирование, Качество и надежность, SPC, Термические, Приемлемость, Инспекция, Размерение, Списки соединений, Гибриды, Сверление, Термины, Пайка, Маркировка, Отправка, Безсвинцовые технологии и БОЛЕЕ...

Существует несколько стандартов IPC, которые я считаю обязательными для любого конструктора печатных плат. Для справки, я не получаю никакого финансового вознаграждения за то, что рекомендую вам их приобрести. Лично для меня эти документы оказались бесценными:

IPC-2221 Общий стандарт по проектированию печатных плат

IPC-2222 Стандарт проектирования для жестких органических печатных плат

IPC-7351 Требования к проектированию для поверхностного монтажа и стандарту контактных площадок

IPC-6011 Общие технические условия для печатных плат

IPC-6012 Квалификация и технические условия для жестких плат

IPC-A-600 Приемлемость печатных плат

IPC-A-610 Приемлемость электронных сборок

Если ваши проекты используют специфические технологии, такие как BGA, HDI, BTC и т.д., убедитесь, что вы ищете публикации по этим темам. Полный список документов IPC можно найти здесь.

ПРИМЕЧАНИЕ: Сами по себе спецификации не гарантируют, что ваши платы будут соответствовать вашим ожиданиям. Разумно проводить периодическую проверку; это может быть комбинация визуального осмотра, измерений, разрушающего анализа (или других методов испытаний) и официальных заявлений от поставщиков, таких как документы "Сертификация соответствия".

Резюме

Стандарты дают нам начальную основу для каждого аспекта разработки продукта, связанного с печатными платами, от проектирования до финального тестирования, делая IPC по-настоящему "Ассоциацией, связывающей электронные отрасли".

Опубликованные руководства включают в себя ценный опыт инженеров, пришедших до нас, их совместные вклады дают нам консенсус для дальнейшего строительства. Спецификации предоставляют нам общий инструмент для оценки результатов наших проектных решений и производственных процессов. Эффективное использование этих инструментов позволит сэкономить ресурсы, время и расходы.

По мере развития технологий мы узнаем больше, материалы и процессы улучшаются, стандарты и руководства эволюционируют. Вас призывают внести свой вклад в эти пересмотры. IPC приветствует широкое разнообразие участия.

Нажмите здесь, чтобы узнать больше о том, как принять участие в работе IPC.

Есть вопросы по Altium Designer? Звоните в Altium.