Ничто не идеально: понятие погрешности (допуска)

Дизайнеры печатных плат делают все возможное, чтобы придерживаться высокой точности.

Но реальное производство всегда несовершенно. Всегда существуют некоторые отклонения от модели проектирования, такие как: погрешность совмещения слоёв платы, погрешность позиционирования сверловки, флуктуации концентраций химических растворов, вследствие которых края проводников не получаются идеально ровными, и многое другое.

• Наши системы проектирования предполагают, что отверстия находятся идеально в центре площадок. Так никогда не бывает.
• Мы декларируем определенную ширину дорожек и величину зазоров, но, когда мы их замеряем на изготовленной плате, они всегда слегка отличаются.
• Слои печатной платы в системе проектирования всегда идеально совмещены на мониторе, но производителю никогда не удается добиться полного совмещения. Всегда происходит некоторое рассовмещение слоев.
• Дизайн платы предполагает, что она будет идеально плоской. В конечном же продукте плата всегда имеет деформации в виде прогиба или кручения. Чаще всего эти деформации настолько малы, что выявить их можно только посредством специального оборудования.
• При проектировании печатной платы возникает необходимость обеспечения определенного импеданса некоторых цепей. На реальной плате измеренный импеданс всегда будет отличаться от расчетных значений.

Этот перечень можно продолжать. Каждый дизайнер при проектировании рассчитывает наиболее точные значения параметров ПП. Наши системы проектирования показывают нам идеальные платы. Однако в реальности изготовленные платы в той или иной степени отличаются от идеала, который создал конструктор.  Как правило, эти различия допустимы и не приносят вреда для функционирования устройства.

Что допустимо?

Измерение определенных параметров в партии изготовленных плат покажет некоторые отклонения от значений, заложенных в дизайн. Поэтому для конструктора нужно определить, какой диапазон значений для каждого вида измерений является приемлемым и при каком значении того или иного параметра нужно отбраковать плату как несоответствующую. Эти диапазоны называются допусками.

Предположим, что у нас есть схемное решение для проектирования печатной платы, которую необходимо смонтировать в металлический корпус. Предопределенный размер корпуса больше, чем площадь, которая нам нужна для реализации схемы устройства на печатной плате. При такой постановке задачи у нас есть все условия для комфортной работы.  Мы можем размещать компоненты наиболее комфортно для создания дизайна по всей площади печатной платы. Наша цель — убедиться, что спроектированная плата соответствует размеру корпуса. Мы можем располагать компоненты далеко от края платы и позволить изготовить плату с достаточно большим отклонением значений размеров.

А сейчас предположим, что подобная плата должна быть размещена в стандартном слоте расширения ПК и будет иметь металлизированный краевой разъем. В этом случае на проектируемой плате будут присутствовать элементы сопряжения, обеспечение точности и изготовления которых чрезвычайно важно. К точности изготовления контура платы будут предъявлены повышенные требования. Допуски должны быть минимальными для того, чтобы обеспечить надлежащее сопряжение с разъемом ПК и фиксацию в корпусе. Меньший допуск может быть реализован при использовании стандартного технологического процесса изготовления ПП, но это повышает сложность механической обработки контура и реализации элементов дизайна ПП, повышает стоимость изготовления и приводит к усложнению обеспечения требуемого допуска.

Теперь давайте предположим, что существует требование реализовать схему на печатной плате, размер которой ограничен размером корпуса сотового телефона, приводя к возникновению определенных ограничений на расположение компонентов и топологию, что вызывает более жесткие требования к точности изготовления элементов дизайна печатных плат. Конструктор должен понимать возможности производства при проектировании. Реализация проекта может сузить круг производств, которые смогут реализовать конструкцию, обеспечив малые допуски.

Этот пример наглядно демонстрирует, что к одному и тому же дизайну могут предъявляться разные требования, основанные на его конечном применении, и в зависимости от применения — на реализацию размеров изготовления элементов дизайна. Необходимо понимать, что допуск на размеры — это всего лишь один из множества критериев. Может быть важной толщина платы или же толщина покрытия, диаметр отверстия сверловки, совмещение слоев, гарантийный поясок, свойства диэлектрика, параметры панелизации и т.д. Существует много параметров, которые способствуют успешной реализации проекта. Необходимо уделять немного времени каждому из них в рамках процесса разработки ПП.

Допустим, что мы изучили все факторы, при которых могут варьироваться параметры печатной платы, определили допуск на каждый параметр и собрали все в спецификацию. Когда мы работаем над следующим дизайном, мы можем использовать часть предыдущей спецификации, изменяя только те параметры, которые отличаются в значительной мере. Таким образом компания разрабатывает общую систему спецификаций, которая удовлетворяет требования к разработке всех или большей части изделий.

В начале развития электронной индустрии крупные компании приложили много усилий для создания таких спецификаций. Естественно, хранили эту документацию в секрете для поддержания конкурентного преимущества. Поэтому многие из них были защищены авторскими правами. Обмен опытом между предприятиями был незначителен, а открытые обсуждения и семинары не проводились.

Если посмотрим на эту ситуацию с точки зрения производителя печатных плат, то получим следующую картину:

• Разные клиенты предоставляют КД для производства с разными значениями параметров плат, разными требованиями и допусками. Это усложняет обработку заказов, подготовку производства, вносит ограничения в технологический процесс изготовления печатных плат, добавляя накладные расходы на испытания и контроль.
• Не все дизайнеры печатных плат имеют полное представление о технологическом процессе производства печатных плат. Они иногда завышают технологические нормы, не имея на то реальных оснований, тем самым увеличивают стоимость плат, добавляя к ней  ненужные расходы.

В сложившейся ситуации насущной необходимостью является наличие набора базовых документов, применяемых в качестве стандартов для определения допустимых погрешностей, которые могут быть использованы дизайнерами при проектировании печатных плат.

Стандарты отрасли

IPC предоставляет серию технических документов почти по каждому аспекту электронной промышленности, добавляя все новые, чтобы не отставать от развития современных технологических процессов изготовления печатных плат. Они разработаны группами добровольцев из каждого сектора промышленности. Некоторые из документов — совместные публикации с ANSI и JEDEC, двух всемирных организаций по разработке и внедрению стандартов.

Ниже представлен краткий перечень основных стандартов, их связи между собой в процессе развития современной электроники.

Большинство старых американских военных спецификаций были объявлены устаревшими и заменены стандартами IPC. Все больше компаний используют в качестве основы в своих разработках IPC стандарты. Стандарты постоянно совершенствуются и позволяют более продуктивно обмениваться КД, улучшают коммуникативность при разработке и изготовлении печатных плат.

Независимо от того, сколько усилий приложат для создания дизайна печатных плат, сами платы будут иметь ряд погрешностей изготовления, которые возникают в результате технологических допусков.

Необходимо четко разграничивать:

• Какие параметры изготовления являются предпочтительными?
• Какие допуски являются приемлемыми?
• Какие отклонения можно принять, а какие забраковать?

Ряд критериев, которые определяют качество плат, может варьироваться в зависимости от типа устройств, для которых они разрабатываются. То, что будет приемлемо для недорогих игрушек, далеко не всегда допустимо для медицинского оборудования. Три основных класса электронных устройств были введены для того, чтобы отразить разницу в работоспособности, сложности, функциональных требованиях к эффективности, тестированию.

• Класс 1 — Электронные изделия общего назначения: изделия с ограниченным сроком службы, для которых основным требованием к готовому изделию является его функционирование.
• Класс 2 — Специализированные электронные изделия: изделия, от которых требуется продолжительное функционирование и повышенный срок службы, и для которых бесперебойная работа желательна, но не является особенно важной.
• Класс 3 — Электронные изделия для ответственных применений: изделия, для которых непрерывное функционирование с особыми эксплуатационными характеристиками либо работа по необходимости являются особо важными, не допускаются периоды неисправного состояния оборудования, и оборудование должно функционировать всегда, когда это требуется.

Разработчик электронного изделия ответственен за определение класса продукта. Производитель не может принимать решение о принадлежности устройства к тому или иному классу. Отправляя дизайн печатной платы в производство, разработчик должен указать класс, по которому будет изготовлена плата, параметры, которые того требуют.

Есть несколько IPC стандартов, которые можно принять за основу дизайна печатных плат:

• IPC-2221 — общий стандарт на проектирование печатных плат;
• IPC-2222 — стандарт по конструированию жестких печатных плат на органической основе;
• IPC-7351 — требования по конструированию контактных площадок и печатных плат с применением технологии поверхностного монтажа;
• IPC-6011 — общие требования к печатным платам;
• IPC-6012 — общие требования к жестким печатным платам.

Если возникает необходимость в решении вопросов, связанных с производственными дефектами, инженерам будут полезны еще два стандарта:

• IPC-A-600 — критерии приемки печатных плат;
• IPC-A-610 — критерии приемки электронных сборок.

Для ваших дизайнов, которые используют специальные технологии, такие как BGAs, HDI, BTCs и т.д., полезными будут публикации по этим темам. Стандарты IPC были созданы по многим специализированным тематикам. Среди них: хранение печатных плат, свойства базовых материалов, требования к обработке заготовок и прессованию, технологии встраиваемых компонентов, технологии металлизации и нанесения финишных покрытий, защитных масок и шелкографии, технологии изготовления сквозных и несквозных отверстий, выполнение отмывки платы/узла, изготовления трафаретов, ремонта плат и изделий, оптического и электронного контроля качества изготовления плат, панелизации, контроля размеров, испытаний на паяемость и нагревостойкость, а также многое другое.

Стандарты дают конструктору базис на каждом этапе проектирования изделия применительно к печатным платам, начиная с дизайна, заканчивая функциональными испытаниями.

Опубликованные стандарты и руководства включают в себя ценный опыт многих инженеров, их общий вклад дал нам основу, на которой строится наша работа. Стандарты предоставляют нам общий инструмент для оценки результатов решений, принятых при разработке дизайна и в производственном процессе. Эффективное использование этих стандартов позволяет нам сберечь ресурсы, время и деньги.

По мере развития технологий, с усовершенствованием материалов и процессов стандарты и руководства продолжают дополняться и развиваться.

Автор Jack Olson. Перевод ИКТ. Источник