Kích thước PCB: Sai số và IPC

Đây là nơi chúng ta dũng cảm đối mặt với một thực tế khắc nghiệt - không có gì là hoàn hảo trong thế giới thực.

Chúng ta cố gắng hết sức để duy trì độ chính xác trong thiết kế bảng mạch của mình, nhưng quá trình sản xuất luôn tạo ra những không hoàn hảo.

• Hệ thống CAD của chúng ta giả định rằng một mũi khoan được đặt hoàn hảo tại tâm của một pad tròn. Nó không bao giờ là như vậy.

• Chúng ta chỉ định các chiều rộng dấu vết cụ thể, và khi chúng ta đo chúng trên một bảng mạch thực tế, chúng luôn hơi mỏng hơn hoặc dày hơn so với dự kiến.

• Nhiều lớp được căn chỉnh hoàn hảo trên màn hình máy tính của chúng ta, nhưng các nhà sản xuất không bao giờ có thể sao chép chính xác nó. Luôn có một số sự không đăng ký chính xác.

• Thiết kế bảng mạch được giả định là phẳng, nhưng bảng mạch trong sản phẩm cuối cùng có thể bị cong hoặc méo.

• Chúng ta chỉ định một số dấu vết được kiểm soát trở kháng, nhưng các phép đo của chúng ta lại khác biệt

Chúng ta có thể tiếp tục mãi mãi, nhưng tôi hy vọng bạn thấy được điểm. Là những người thiết kế, chúng ta tính toán những con số chính xác. Chúng ta thiết kế với độ chính xác. Hệ thống CAD của chúng ta cho chúng ta thấy bảng mạch lý tưởng. Trong thế giới thực, không có gì là chính xác như vậy. Sản phẩm cuối cùng sẽ khác biệt so với lý tưởng theo cách này hay cách khác, hy vọng là những cách không gây hại.

Bạn Sẽ Quyết Định Như Thế Nào Để Chấp Nhận Những Khuyết Điểm Nào?

Đo lường một nhóm các sản phẩm được cho là giống nhau sẽ cho thấy một số biến động nhất định, vì vậy chúng ta cần xác định phạm vi chấp nhận được cho mỗi loại đo lường và tại điểm hoặc giới hạn nào chúng ta nên từ chối sản phẩm vì không phù hợp. Những phạm vi này được gọi là DUNG SAI.

Đây là một ví dụ: Giả sử chúng ta được cung cấp một sơ đồ cho một thiết kế sẽ được lắp đặt trong một hộp kim loại, và kích thước hộp được định trước lớn hơn diện tích thực sự chúng ta cần cho mạch điện. Loại thiết kế này cho phép chúng ta có đủ không gian để làm việc thoải mái, đặt các linh kiện xa lề bảng hình chữ nhật. Mục tiêu của chúng ta là đảm bảo bảng mạch vừa vặn bên trong hộp và mô hình lỗ gắn bảng mạch phù hợp với phần cứng gắn hộp. Trong tình huống này, kích thước của cạnh bảng mạch không quan trọng lắm, và chúng ta có thể cho phép một dung sai lớn.

Giờ hãy tưởng tượng rằng cùng một mạch phải vừa với một thẻ mở rộng kích thước tiêu chuẩn cho máy tính cá nhân và cần một kết nối cạnh mạ kẽm. Trong kịch bản này, ngay cả khi có đủ diện tích bảng mạch cho các mạch, kích thước cạnh bảng mạch lại càng quan trọng hơn, và độ chính xác phải được giảm xuống để đảm bảo bảng mạch vừa vặn đúng cách. Một độ chính xác nhỏ hơn có thể vẫn nằm trong kiểm soát quy trình sản xuất tiêu chuẩn, nhưng nó làm tăng độ phức tạp, tăng chi phí và làm cho việc kiểm tra trở nên khó khăn hơn.

Giờ hãy xem xét yêu cầu đóng gói mạch vào không gian hạn chế của vỏ điện thoại di động. Các hạn chế kích thước mới khiến chúng ta có ít diện tích bảng mạch hơn để làm việc, và các kích thước càng trở nên quan trọng. Nhà thiết kế phải định rõ những kỳ vọng này cho nhà sản xuất, và thiết kế này có thể hạn chế các đối tác sản xuất có sẵn chỉ còn những người có khả năng duy trì độ chính xác chặt chẽ này một cách liên tục.

Với ví dụ này, tôi hy vọng sẽ minh họa rằng cùng một mạch điện có thể có những yêu cầu khác nhau dựa trên ứng dụng cuối cùng, và có thể có các phạm vi dung sai khác nhau. Nhưng hãy hiểu rằng, dung sai kích thước của viền bảng mạch chỉ là một trong số hàng chục đặc tính. Độ dày của bảng mạch có thể quan trọng, hoặc độ dày của lớp phủ, đường kính lỗ, đăng ký lớp, vòng nhỏ nhất, tính chất điện môi, v.v. Có nhiều tham số góp phần vào thiết kế thành công, và một số sự chú ý nên được dành cho từng tham số như một phần của quá trình thiết kế bảng mạch.

Giờ hãy tưởng tượng rằng chúng ta đã xem xét mọi cách mà một tham số bảng mạch có thể thay đổi, xác định dung sai chấp nhận được cho từng tham số, và thu thập tất cả chúng vào một tài liệu đặc tả. Khi thiết kế tiếp theo xuất hiện, chúng ta có thể sử dụng một phần hoặc toàn bộ đặc tả trước đó, chỉ thay đổi các tham số khác biệt đáng kể. Theo cách này, một công ty có thể đã phát triển một đặc tả bảng mạch chung áp dụng cho hầu hết sản phẩm của mình, trừ khi có quy định khác.

Loại đặc tả chung này là một công cụ hiệu quả cho nhiều nhà thiết kế làm việc trên các thiết kế tương tự hoặc trong các tổ chức lớn như quân đội.

Trong khi các thông số kỹ thuật đã được chứng minh giúp loại bỏ rủi ro và loại bỏ một số công việc nhàm chán và lặp đi lặp lại khỏi quy trình thiết kế, một số vấn đề nhanh chóng xuất hiện. Trong những năm đầu của ngành công nghiệp điện tử, nhiều nỗ lực đã được bỏ ra để phát triển các thông số kỹ thuật bởi các công ty lớn, và có một mong muốn tự nhiên để giữ các tài liệu này ở chế độ RIÊNG TƯ để duy trì lợi thế cạnh tranh. Do đó, nhiều trong số chúng đã được bản quyền và có rất ít cuộc thảo luận mở cửa hoặc chia sẻ kinh nghiệm giữa các tổ chức.

Xét về tình hình này từ quan điểm của nhà sản xuất bảng mạch:

• nhiều khách hàng cung cấp các biến thể khác nhau của mọi thông số bảng mạch có thể tưởng tượng được, làm cho việc thiết lập các quy trình nhất quán trở nên khó khăn, và thêm nhiều công việc kiểm tra và thanh tra hơn cho toàn ngành.

• không phải mọi nhà thiết kế đều hiểu biết kỹ lưỡng về quy trình sản xuất, và đôi khi họ QUÁ đặc tả các dung sai mà không có cơ sở khoa học, làm tăng chi phí không cần thiết cho sản phẩm.

Điều thực sự cần thiết là một bộ tài liệu chung có thể được sử dụng làm mặc định để gán các dung sai chấp nhận được, có thể được ghi đè bởi các nhà thiết kế khi cần thiết.

Đó là những gì một tổ chức được gọi là "IPC" đã phát triển cho chúng ta.

IPC là "Hiệp hội Kết nối Công nghiệp Điện tử", và họ phát triển và duy trì các tiêu chuẩn và hướng dẫn về nhiều khía cạnh khác nhau của ngành công nghiệp điện tử, với việc sửa đổi định kỳ và giới thiệu các ấn phẩm mới liên tục để theo kịp với sự tiến bộ công nghệ. Những tiêu chuẩn này được phát triển bởi các ủy ban tình nguyện viên từ mọi ngành của ngành công nghiệp điện tử. Một số tài liệu là ấn phẩm chung với ANSI hoặc JEDEC, hai tổ chức tiêu chuẩn toàn cầu khác.

Dưới đây là cái nhìn sơ lược về một số nhân vật chính và mối quan hệ của họ với quá trình phát triển điện tử:

Nguồn: Hiệp hội IPC Kết nối Công nghiệp Điện tử

Tôi rất vui khi báo cáo rằng hầu hết các quy định quân sự cũ của Mỹ ("Mil-Specs") đã được tuyên bố là lỗi thời để ưu tiên cho các quy định IPC mới nhất. Ngày càng có nhiều công ty chấp nhận IPC làm điểm xuất phát, và chúng ta đều dần dần đạt được sự đồng thuận về cách truyền đạt thông tin giữa các bộ phận một cách trơn tru và đáng tin cậy.

OK, Hãy lùi lại một bước....

Dù chúng ta cố gắng bao nhiêu để hoàn thiện một thiết kế, sản phẩm thực tế sẽ có những không hoàn hảo do SAI SỐ SẢN XUẤT. Chúng ta cần biết cách xác định:

• Điều gì được Ưu tiên?

• Điều gì được Chấp nhận?

• Điều gì cần được Giải quyết hoặc Từ chối?

Bộ tiêu chí và yêu cầu có thể thay đổi đối với các loại bảng mạch khác nhau tùy thuộc vào loại sản phẩm đang được thiết kế. Bạn có thể dễ dàng hình dung rằng những gì có thể được chấp nhận cho một bảng mạch trong một đồ chơi giá rẻ, có thể KHÔNG được chấp nhận cho điện tử trong một sản phẩm y tế. Vì lý do này, nhà thiết kế nên chọn một trong ba Lớp Hiệu Suất để thiết lập tiêu chí chấp nhận cho sản phẩm mà anh ta đang thiết kế. Dưới đây là cách IPC định nghĩa Lớp:

Lớp Hiệu Suất IPC

Ba lớp chung đã được thiết lập để phản ánh sự tăng cấp độ tiên tiến, yêu cầu về hiệu suất chức năng và tần suất kiểm tra/kiểm định. Cần nhận thức được rằng có thể có sự chồng chéo của các loại thiết bị trong các lớp khác nhau. Người dùng có trách nhiệm chỉ định trong hợp đồng hoặc đơn đặt hàng lớp hiệu suất nào được yêu cầu cho từng sản phẩm và nên chỉ ra ngoại lệ đối với các thông số cụ thể khi thích hợp.

Lớp IPC 1: Sản phẩm Điện tử Chung — Bao gồm sản phẩm tiêu dùng và một số máy tính và phụ kiện máy tính phù hợp cho các ứng dụng nơi mà khuyết điểm về mỹ quan không quan trọng và yêu cầu chính là chức năng của bảng mạch in hoàn chỉnh.

Lớp IPC 2: Sản phẩm Điện tử Dịch vụ Chuyên dụng — Bao gồm thiết bị truyền thông, máy móc kinh doanh phức tạp, các thiết bị đo lường nơi mà hiệu suất cao và tuổi thọ kéo dài được yêu cầu và mong muốn dịch vụ không gián đoạn nhưng không phải là yếu tố quan trọng. Một số khuyết điểm về mỹ quan được cho phép.

IPC Lớp 3: Sản phẩm điện tử hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hoặc đòi hỏi độ tin cậy cao — Bao gồm các thiết bị và sản phẩm mà việc duy trì hoạt động liên tục hoặc hoạt động theo yêu cầu là rất quan trọng. Không thể chấp nhận việc thiết bị ngừng hoạt động và phải đảm bảo chức năng khi cần thiết như trong các thiết bị hỗ trợ sự sống hoặc hệ thống điều khiển bay. Các bảng mạch in trong lớp này phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi mức độ đảm bảo cao và dịch vụ là thiết yếu.

Khi gửi thiết kế để chế tạo bảng mạch trống, lắp ráp và kiểm tra, tài liệu nên nêu rõ Lớp Hiệu suất và bất kỳ ngoại lệ nào đối với các thông số cụ thể.

Một giới thiệu tốt về IPC specification là gì (và cách sử dụng ba lớp bảng mạch) có thể được thấy ngay trong PHỤ LỤC B của tài liệu có tên: IPC-6012 TIÊU CHUẨN ĐỊNH RÔNG VÀ HIỆU SUẤT CHO BẢNG MẠCH CỨNG.

Phụ lục B trình bày yêu cầu hiệu suất cho bảng mạch cứng trong một danh sách rút gọn và theo thứ tự bảng chữ cái. Dưới đây là một đoạn trích hiển thị tính chấp nhận của năm đặc tính khác nhau:

Nguồn: Hiệp hội Kết nối Công nghiệp Điện tử IPC

Hãy chú ý rằng một số điều kiện có tiêu chí khác nhau cho ba lớp, nhưng một số khác áp dụng cùng một tiêu chí cho tất cả các loại bảng cứng bất kể lớp. Cột cuối cùng chỉ đến phần tương ứng của tài liệu IPC-6012 nơi có những mô tả dài, điều kiện đặc biệt, và thông tin hướng dẫn có thể được tìm thấy.

Nhiều ấn phẩm khác đã được phát triển cho các chủ đề khác nhau như:

Hướng dẫn Thiết kế, Bảo quản và Xử lý Bảng mạch, Điều kiện Đủ của Nhà sản xuất, Tuyên bố Vật liệu, Khả năng Dẫn điện Hiện tại, Công nghệ Linh kiện Nhúng, Định dạng Dữ liệu, Tài liệu, Keo, Vật liệu Laminate, Vải và Foil, Mạ, Bảo vệ Via, Mực Đánh dấu, Độ sạch, BTCs, Flip-Chip, BGAs, Through-Hole, Mẫu Đất cho Gắn bề mặt, Khuôn, Sửa chữa, Quang học, Kiểm tra, Chất lượng và Độ tin cậy, SPC, Nhiệt, Chấp nhận, Kiểm tra, Kích thước, Netlists, Hybrids, Khoan, Thuật ngữ, Hàn, Đánh dấu, Vận chuyển, Không chì, và NHIỀU HƠN NỮA...

Có một số tiêu chuẩn IPC mà tôi coi là thiết yếu cho bất kỳ nhà thiết kế bảng mạch nào. Để rõ ràng, tôi không nhận bất kỳ khoản tiền thù lao nào để khuyến khích bạn mua chúng. Cá nhân tôi, những tài liệu này đã vô giá đối với tôi:

IPC-2221 Tiêu chuẩn Chung về Thiết kế Bảng Mạch In

Tiêu chuẩn Thiết kế Mục lục IPC-2222 cho Bảng Mạch In Hữu cơ Cứng

Yêu cầu IPC-7351 cho Thiết kế Gắn Bề mặt và Tiêu chuẩn Mẫu Đất

Thông số Kỹ thuật Hiệu suất Chung IPC-6011 cho Bảng Mạch In

Thông số Kỹ thuật Đủ điều kiện và Hiệu suất cho Bảng Cứng IPC-6012

Chấp nhận IPC-A-600 của Bảng Mạch In

Chấp nhận IPC-A-610 của Hội tụ Điện tử

Nếu thiết kế của bạn sử dụng các công nghệ cụ thể như BGAs, HDI, BTCs, v.v., hãy chắc chắn tìm kiếm các ấn phẩm về những chủ đề đó. Danh sách đầy đủ các tài liệu IPC có thể được tìm thấy tại đây.

LƯU Ý: Chỉ có thông số kỹ thuật thôi sẽ không đảm bảo rằng bảng mạch của bạn sẽ như bạn mong đợi. Thật khôn ngoan khi thực hiện một số loại kiểm tra định kỳ; có thể là sự kết hợp của kiểm tra thị giác, đo lường, phân tích phá hủy (hoặc các phương pháp thử nghiệm khác), và các tuyên bố chính thức từ các nhà cung cấp như tài liệu "Chứng nhận Tuân thủ".

Tóm tắt

Các tiêu chuẩn cung cấp cho chúng ta một nền tảng khởi đầu cho mọi khía cạnh của phát triển sản phẩm liên quan đến bảng mạch từ thiết kế đến kiểm tra cuối cùng, làm cho IPC thực sự là "Hiệp hội Kết nối Các Ngành Công nghiệp Điện tử".

Các hướng dẫn được công bố kết hợp kinh nghiệm quý báu của những kỹ sư đi trước chúng ta, những đóng góp chung của họ mang lại cho chúng ta một sự đồng thuận để xây dựng lên. Các thông số kỹ thuật cung cấp cho chúng ta một công cụ chung để đánh giá kết quả của các quyết định thiết kế và quy trình sản xuất của mình. Việc sử dụng hiệu quả những công cụ này sẽ giúp tiết kiệm nguồn lực, thời gian và chi phí.

Khi công nghệ tiến bộ, chúng ta học hỏi thêm nhiều điều, vật liệu và quy trình được cải thiện, tiêu chuẩn và hướng dẫn phát triển. Bạn được khuyến khích đóng góp vào những bản sửa đổi này. IPC chào đón sự tham gia đa dạng.

Nhấn vào đây để Tìm hiểu thêm về Cách Tham gia vào IPC.

Bạn có thêm câu hỏi về Altium Designer? Hãy gọi Altium.