Применение IPC class 3 при производстве печатных плат ответственного назначения

в 13:00, , рубрики: ipc class 3, надежность, ответственная электроника, печатные платы, проектирование печатных плат, производитель электроники, производство электроники, стандарты, электроника

Привет! Меня зовут Лиза, я работаю заместителем директора по качеству в компании ГРАН Груп. Начав свой профессиональный путь инженером-конструктором, затем технологом, я занималась подготовкой проектов к производству и внедрением в них принципов DFM. Другими словами, в мире печатных плат я достаточно давно и успела получить достаточный уровень компетенций и опыта в этой области. Поработав с проектами плат разного уровня сложности и направленности, я поняла, каким образом можно сделать платы качественными и надежными еще на этапе конструирования. 

В статье я бы хотела рассказать о стандартах изготовления печатных плат, т.к. много лет была представителем компании в работе со стандартами IPC.


Проблемой стандартизации занимаются лучшие умы разных стран на протяжении длительного периода времени. В разных странах подход к стандартам и стандартизации может довольно сильно отличаться. В нашей стране разработкой и внедрением стандартов занималось государство. Стандарт PERFAG, разработан “Объединением датской электронной промышленности”. Стандарты IPC разрабатываются производителями электроники со всего Мира.

В наш век глобализации, очень важно, чтобы люди в разных странах понимали друг друга и говорили в рамках понятных всем терминов. В индустрии печатных плат в частности, когда изделие разрабатывается в одной стране, производится в другой, а эксплуатироваться может в десятке других, это становится особенно важным. Все мы понимаем, что идеала не существует, но все к нему стремятся. Стандарты как раз помогают понять, насколько несоответствие идеалу критично.

Применение IPC class 3 при производстве печатных плат ответственного назначения - 1

Наш путь работы со стандартами

Наша компания, в прошлом часть международной компании NCAB Group, изучила опыт разных стран в этом вопросе. Мы всегда очень серьезно относились к вопросам стандартизации. Это касается и технологических, и бизнес-процессов, и, конечно же, поставляемой нами продукции – печатных плат. 

Долгое время основным стандартом в нашей стране был ГОСТ 23751-86 (он всего на год младше меня). Но не секрет, что этот стандарт устарел в силу того, что со времени его издания технологии и требования к печатным платам существенно изменились. Так или иначе, ГОСТы не отменены, они актуальны в России и сегодня.

Высокая динамика развития технологий и рынка заставила нас продолжить работу в области стандартов. Наше внимание привлекли стандарты IPC, которые стали в последние годы очень популярны во всем мире. Эти стандарты написаны и постоянно обновляются производителями электроники со всего мира. Это «живые» стандарты, которые, что особенно важно, учитывают мировой опыт в области электроники. Поэтому в 2007 году наша компания одной из первых в России стала членом организации IPC. Ввиду событий 2022 года, дальнейшее участие в разработке/обновлении стандартов мы принимать не можем. Но накопленные опыт и знания от нас никуда не денутся.

За 15 лет тесной работы с IPC, мы успели поучаствовать в создании и обновлении стандартов, поучаствовать в переводе нескольких стандартов на русский язык, занимались популяризацией стандартов в России и, конечно же, учились сами, изучали стандарты и получали бесценный опыт работы и общения с производителями электроники со всего Мира.

Применение IPC class 3 при производстве печатных плат ответственного назначения - 2

Поскольку платы для изделий ответственного или специального назначения составляют значительный сектор производства нашей компании, одной из приоритетных задач в области освоения стандартов IPC стало их применения к этим самым платам с приставкой «спец». Далее мы подробно объясним, что мы подразумеваем под платами «ответственного/специального назначения».

ГОСТ и IPC: классификация, термины и определения

Как известно, ГОСТ предлагает разработчикам изделий четыре класса жесткости. Эти классы соответствуют «жесткости» условий эксплуатации. Стандарт IPC, в свою очередь, предлагает классификацию по требованиям к надежности изделий. Таких классов всего три. Причем третий класс соответствует требованиям наивысшей надежности функционирования. Подробнее о стандартах мы писали ранее в нашей статьей про контроль качества на производстве.

Области применения третьего класса мы и считаем изделиями специального/ответственного назначения:

  • медицинское оборудование;

  • системы жизнеобеспечения;

  • космос;

  • оборонная промышленность;

  • бортовое оборудование;

  • транспорт;

  • и т.п.   

То есть, платы, изготовленные по стандарту IPC класс 3, применяются в тех случаях, когда требуется:

  • высокая надежность изделия;

  • длительный срок службы изделия;

  • простой оборудования недопустим;

  • изделие должно функционировать всегда, когда это требуется;

  • не допускаются периоды неисправного состояния.  

Теперь давайте разберемся, за счет чего можно достигать наивысшего класса надежности.

Требования стандартов можно разделить на 3 основные части:

  1. Проектирование и технологические возможности.

  2. Управление технологическим процессом.

  3. Контроль качества.

Давайте рассмотрим эти требования на примере всего лишь одного элемента печатной платы – сквозного переходного отверстия.

Тут понадобится немного терминов и определений, потерпите, их немного, но они необходимы для однозначного понимания дальнейшего материала.

Минимальный гарантийный ободок внешнего слоя – это расстояние от внутренней поверхности стенки металлизированного отверстия до внешнего края контактной площадки (см. рисунок ниже, левая часть).

Минимальный гарантийный ободок внутреннего слоя – это расстояние от места соединения медной металлизации стенки отверстия и внутренней площадки до самой крайней наружной точки внутренней площадки (см. рисунок ниже, правая часть).

Измерение минимального гарантийного ободка на внешнем и внутреннем слое (IPC2221C 9.1.2.2 page 96).

Измерение минимального гарантийного ободка на внешнем и внутреннем слое (IPC2221C 9.1.2.2 page 96).

Согласно IPC класс 3:

  • Допускается смещение отверстия относительно центра контактной площадки, но внешний ободок не должен быть менее 0,050 мм (см. таблицу ниже).

  • Внутренний поясок должен быть не менее 0,025 мм (25 мкм).

  • Допускается уменьшение внешнего ободка на 20% от минимального за счет таких дефектов, как царапины, точечные протравы, несквозные следы от инструмента и шероховатости.

Минимальные гарантийные пояски.

Минимальные гарантийные пояски.

Проектируем с учетом требований стандартов IPC или проектируем правильно! 

Как обеспечить эти требования еще в процессе проектирования? Конструктор должен выбирать диаметры сквозных отверстий и размеры площадок с учетом технологических возможностей современных производств (биение инструмента сверлильного станка, допуск на размер сверла, допуск на совмещение топологии, возможный допустимый подтрав ободка и т.п.). То есть, закладывать максимальное отклонение для обеспечения минимального допустимого гарантированного ободка.

К примеру, если конструктором ободок заложен недостаточный, то для 2 класса допустим даже выход отверстия за пределы контактной площадки. Для класса 2 – это не дефект. А вот для 3 класса – уже считается недопустимым.

Выход отверстия за пределы ободка на 90°.

Выход отверстия за пределы ободка на 90°.

Если посмотреть на ситуацию с другого ракурса, то можно увидеть, что при недостаточном ободке, заложенном в проект, может возникнуть ситуация, при которой произвести платы по 3 классу будет просто невозможно. И это будет не ошибка технологии, а ошибка именно проектирования.

Есть одна простая истина, о которой, почему-то в последнее время все забыли: надежность изделия закладывается еще на этапе разработки и проектирования.

Примечание: существует целое направление DFM от английской аббревиатуры Design for Manufacturing – дизайн для производства. Следуя принципам DFM можно проектировать печатные платы, которые будут производиться на заводах сериями без каких-либо технологических проблем, с обеспечением абсолютной повторяемости и максимальным выходом годных изделий. Кстати, это напрямую влияет на стоимость продукции.

Правилам конструирования посвящена 22** серия стандартов IPC. К примеру, стандарт на конструирование жестких печатных плат – 2221 (старая версия которого, к слову, существует на русском языке). Пункт 9.1.1 в нем говорит о том, что все контактные площадки должны быть по возможности предельно увеличены с учетом правил проектирования и требуемого диэлектрического расстояния.

Размер контактной площадки рассчитывается по следующей формуле:

a + 2b +c

a– максимальный финишный диаметр отверстия;

b – минимальный ободок;

c – стандартный производственный допуск, указанный в таблице 2, включающий отклонения при выполнении технологического процесса изготовления печатных плат.

Стандартный производственный допуск для контактных площадок

Стандартный производственный допуск для контактных площадок

Тут обязательно нужно еще учитывать два момента:

  1. Для веса меди более 1 унции/фут² в качестве производственного допуска на каждую дополнительную унцию/фут² добавляется минимум 0,05 мм на размер контактной площадки.

  2.  Если количество слоев более 8, то добавляется 0,05 мм.

В пункте 1.6.3 того же стандарта указано следующее: уровень технологичности должен интерпретироваться не как требование к конструкции, а как способ установления связи между конструкцией и возможностью ее изготовления. Использование одного уровня для специфических характеристик не означает, что другие характеристики должны быть того же уровня. Выбор всегда должен основываться на минимальной необходимости, особенно когда выбираются такие параметры, как точность, эксплуатационные качества, плотность проводящего рисунка.

Иными словами: в узких, важных местах можно сделать «на пределе возможностей», а где это не нужно и есть достаточно расстояния, лучше не мельчить.

Я очень люблю говорить: «Если хотите, чтобы плата была произведена по 3 классу, проектируйте ее по 3 классу!».

Если задать на этапе проектирования параметры платы верно, то при соблюдении технологии производства, ситуации, когда отверстие выйдет за гарантийный ободок просто не возникнет. Главное – верно задать размер ободка и отверстия.

Контроль качества

А теперь давайте разберемся, как стандарт трактует требования к контролю гарантийного ободка. На рисунке ниже приведен фрагмент IPC 6012, демонстрирующий варианты изготовления шлифов для контроля гарантийного ободка. В соответствии с требованиями IPC класс 3 при производстве партии четырехслойных печатных плат, состоящей из 91…150 панелей, контроль качества только гарантийных ободков на внутренних слоях потребует снятия 125 шлифов (!). Понятно, что это повлечет разрушение большого количества плат, потребуется дополнительного оборудования и трудозатрат.

Варианты того, как могут быть сняты шлифы.

Варианты того, как могут быть сняты шлифы.

Из вышесказанного, можно сделать вывод, что контроль качества печатных плат, произведенных по 3-му классу, является наиболее дорогостоящей и трудоемкой частью всего процесса. Давайте выясним, откуда берется такое огромное количество шлифов?! 

Объем выборки.

Объем выборки.

Согласно таблице, показывающей объем выборки, определяем, сколько необходимо изготовить шлифов в зависимости от объема партии. Для этого из таблицы по приемочным испытаниям выясним, в соответствии с каким индексом это необходимо сделать.

Приемочные испытания и их периодичность.

Приемочные испытания и их периодичность.

Таблица объема выборки приведена частично, она описывает каждый критерий, который необходимо контролировать. 

Если сравнить в таблице столбцы для 2-го и 3-го классов, то громадная разница между классами становится очевидной (19 и 125 образцов). Эта разница в количестве выборки не может не отразиться на цене печатной платы. Цена вырастает в разы.

Например: простая 4-слойная печатная плата для медицинской техники, произведенная по 3 классу может стоить примерно столько же, сколько 20-слойная HDI плата для видеокамеры по 2 классу (!).

Как улучшить качество и надежность на этапе конструирования

Есть в стандартах IPC два важных требования, напрямую влияющих на качество и надежность печатной платы:

  • толщина металлизации стенки отверстия;

  • финишная металлизация внешних слоев.

Требования к толщине металлизации стенки отверстия.

Требования к толщине металлизации стенки отверстия.
Требования к финишной толщине медных проводников на внешних слоях.

Требования к финишной толщине медных проводников на внешних слоях.

Согласно требованиям IPC, толщина металлизации стенки отверстия (измеряется на шлифе в 6 точках):

  • 2 класс – 20 мкм средняя; 18 мкм минимальная;

  • 3 класс – 25 мкм средняя; 20 мкм минимальная.    

Финишная медь, согласно таблице требований к толщине для 3 класса будет толще, чем для 2.

Для наших заказчиков есть бонус: по умолчанию мы обеспечиваем толщину металлизации стенки отверстия и финишную толщину медных проводников внешних слоев по 3 классу, потому что мы хотим изготавливать качественные и надежные печатные платы.

Зачастую наши заказчики получают печатные платы наивысшего стандарта качества и надежности, даже не подозревая об этом.

Вместо заключения

При производстве электроники и, в частности печатных плат, невероятно важен тесный контакт и диалог между разработчиком/конструктором и технологом. 

Мне нравится подход: каждый конструктор хоть немного обязан быть технологом, а каждый технолог – конструктором.

Как показывает практика, такая синергия дает очень качественный результат.

У всех сторон должен быть четкий и однозначный взгляд на стандарты. Только при корректном проектировании, грамотном построении и соблюдении технологии производства, четком контроле качества – плата получается идеальной или очень близкой к идеалу, что особенно важно для электроники ответственного назначения.


Спасибо, что прочитали!

Мы делимся нашим опытом в сфере печатных плат как в онлайн формате, так и офлайн. К примеру, мы регулярно проводим вебинары, где рассказываем про технологии и применяемые практики. Или проводим очные конференции в крупных города России. Так, совсем скоро, 25 февраля 2025 года планируем провести такую конференцию в Санкт-Петербурге, где обсудим развитие российской электроники, современные технологии производства и перспективные решения в отрасли. Такие мероприятия мы проводим бесплатно, приглашаем всех принять участие.

Ещё у нас есть телеграм-канал о печатных платах. Там мы разбираем как сложные технические вопросы проектирования и производства, так и делимся интересными подробностями из мира печатных плат.

Некоторые из тем, которые мы уже рассмотрели на канале:

  • концепция DFM при проектировании плат;

  • финишные покрытия, их особенности, преимущества и недостатки;

  • классы IPC, их отличия и схожесть с ГОСТ;

  • как устроен производственный процесс печатных плат.

Подписывайтесь, будет интересно. А также не стесняйтесь задавать ваши вопросы в комментариях.

Автор: shvedov_grangroup

Источник

* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js