Технологии в электронной промышленности №1'2010

Использование стандартов IPC на всех этапах производства электроники. Часть 1. Стандарты серии IPC-2220 и IPC-7351A

Ларс Валлин (Lars Wallin)

Все, кто занят в производстве электронного оборудования, знают, что готовое электронное изделие — это результат множества разнообразных и сложных операций, составляющих очень длинный производственный процесс. Если не все операции выполняются более или менее качественно, то будет трудно достичь предъявляемых производителями высоких требований к качеству и надежности, за которые никто из них не хочет дорого платить.

Все статьи цикла:

Введение

Это уравнение решить нелегко, но в течение своей 52-летней истории ассоциация IPC разрабатывала стандарты, которые могут помочь производителям электронного оборудования получить возможность выпускать изделия высокого качества. Поскольку IPC работает очень активно и имеет на сегодня более 200 стандартов, бывает трудно подобрать наиболее подходящий стандарт для тех или иных задач в рамках общей производственной цепочки. В Европе, где многие компании не развиваются так, как могли бы с использованием стандартов IPC из-за их сложной структуры, очень велика необходимость во всеобъемлющей информации об IPC, и поэтому представительство IPC в Европе приняло решение о создании этих статей для российского рынка электроники.

Серия будет состоять из 6 отдельных статей, отражающих цепочку от разработки до производства печатных узлов (рис. 1):



Рис. 1. «Дерево» стандартов IPC
  • Часть 1. Серия стандартов IPC-2220 и IPC-7351A. С помощью этой статьи читатели смогут взглянуть на мир разработчиков и конструкторов электронной аппаратуры и на использование стандартов IPC.
  • Часть 2. Стандарт IPC-4101C и серия стандартов IPC-6010. Здесь показывается важность правильного выбора базового материала и необходимость контроля возможностей поставщиков печатных плат.
  • Часть 3. Стандарт IPC-600H. Статья иллюстрирует различные критерии качества печатных плат.
  • Часть 4. Стандарты J-STD-001E, J-STD-020D, J-STD-075 и J-STD-033B, которые дают читателю представление о том, насколько важно контролировать условия хранения компонентов и параметры процессов сборки и пайки.
  • Часть 5. Стандарт IPC-610E. Отражены некоторые критерии качества электронных сборок.
  • Часть 6. Стандарт IPC-7711/21 — руководство по восстановлению и ремонту печатных плат и электронных сборок.

Всегда необходимо помнить об основных принципах стандартизации IPC (табл. 1).

Таблица 1. Основные принципы стандартизации IPC

Стандарты должны Стандарты не должны
Отражать связь с вопросами технологичности и экологичности (DfM и DfE) Препятствовать новаторству
Сокращать время выхода изделия на рынок Увеличивать время выхода изделия на рынок
Быть изложены на простом (упрощенном) языке Держаться в стороне от пользователей
Содержать только специализированную информацию Увеличивать время производства
Уделять основное внимание характеристикам конечного изделия Указывать, как что-то должно быть сделано
Включать механизм обратной связи по практическому применению и возникающим проблемам для последующего усовершенствования Содержать неподтвержденную информацию

Процесс разработки стандарта IPC основывается на добровольной работе, осуществляемой представителями электронной промышленности, которые объединяются в комитет по каждому стандарту. Роль IPC является в основном административной: она заключается в обеспечении запланированного выполнения процесса разработки и предоставлении широкому кругу представителей мира электроники возможности составить свое мнение о стандартах IPC прежде, чем они будут опубликованы.

Цель этих статей — ознакомить участников российского рынка электроники с применением стандартов IPC на всех этапах производства электроники для удовлетворения потребностей в качестве и надежности при использовании как свинцовосодержащих, так и бессвинцовых технологий.

Стандарты серии IPC-2220 и IPC-7351A

Серия стандартов IPC-2220 устанавливает основные требования к проектированию печатных плат из органических материалов и других видов оснований для монтажа компонентов и коммутационных изделий. Органические материалы могут быть однородными, армированными или использоваться в комбинации с неорганическими материалами, а коммутация может осуществляться с одной стороны, с двух сторон или на нескольких слоях.

Стандарт IPC-2221 определяет основные принципы конструирования и дополнен различными специализированными документами, содержащими подробную информацию, связанную с конкретной технологией изготовления печатных плат. Структура документов серии IPC-2220 показана на рис. 2:



Рис. 2. Структура документов серии IPC-2220
  • IPC-2221A — стандарт по общим требованиям к конструированию печатных плат.
  • IPC-2222 — конструирование жестких печатных плат из органических материалов.
  • IPC-2223B — конструирование гибких печатных плат.
  • IPC-2224 — конструирование печатных плат для карт стандарта PCMCIA.
  • IPC-2225 — конструирование печатных плат для многокристальных модулей.
  • IPC-2226 — конструирование печатных плат высокой плотности.

В этой статье основное внимание уделяется стандарту IPC-2221A.

Стандарт IPC-2221A содержит общие сведения:

  • о базовых материалах;
  • об механических и физических свойствах;
  • об электрических свойствах;
  • об обеспечении теплового режима;
  • о вопросах, относящихся к компонентам и сборке;
  • об отверстиях и межсоединениях;
  • об общих требованиях к элементам рисунка.

Ниже приводятся некоторые примеры из каждого раздела. И это лишь малая часть того, что отражено в стандарте IPC-2221A.

Выбор материала

Конструктор печатной платы должен выбрать материал, из которого она будет изготовлена. При выборе базового материала конструктор сначала определяет, каким требованиям должна отвечать печатная плата. Эти требования включают: температуру пайки (для свинцовой или бессвинцовой технологии), температуру эксплуатации, электрические свойства, типы соединений (монтаж компонентов пайкой, разъемы), прочность конструкции и плотность трассировки. Все базовые материалы, используемые для печатных плат, имеют различные свойства (табл. 2 и 3).

Таблица 2. Основные характеристики материалов

Характеристика Материал
FR-4
Эпоксидная смола,
стеклоткань типа Е
Много-
функциональная
эпоксидная смола
Эпоксидная смола
с улучшенными
характеристиками
Бисмалеимид
триазин + эпоксидная
смола
Полиимид Циановый эфир
Диэлектрическая постоянная (чистый полимер) 3,9 3,5 3,4 2,9 3,5–3,7 2,8
Электрическая прочность, В/мм 39,4×103 51,2×103 70,9×103 47,2×103 70,9×103 65×103
Объемное сопротивление, МОм·см 4,0×106 3,8×106 4,9×106 4×106 2,1×106 1,0×105
Коэффициент абсорбции воды, % вес 1,3 0,1 0,3 1,3 0,5 0,8
Тангенс угла потерь 0,022 0,019 0,012 0,015 0,01 0,004

Таблица 3. Условия эксплуатации материалов

Условия эксплуатации Материал
FR-4
Эпоксидная смола,
стеклоткань типа Е
Много-
функциональная
эпоксидная смола
Эпоксидная смола
с улучшенными
характеристиками
Бисмалеимид
триазин + эпоксидная
смола
Полиимид Циановый эфир
Тепловое расширение в горизонтальной плоскости,
ppm/°C
16–19 14–18 14–18 ≈15 8–18 ≈15
Тепловое расширение по вертикали при температуре
ниже температуры стеклования, ppm/°C
50–85 44–80 ≈44 ≈70 35–70 81
Температура стеклования, °C 110…140 130…160 165…190 175…200 220…280 180…260
Модуль упругости при изгибе, ×1010 Па            
в направлении поперечных нитей 1,86 1,86 1,93 2,07 2,69 2,07
в направлении поперечных нитей 1,20 2,07 2,20 2,41 2,89 2,20
Предел прочности на разрыв, ×108 Па            
в направлении поперечных нитей 4,13 4,13 4,13 3,93 4,82 3,45
в направлении поперечных нитей 4,82 4,48 5,24 4,27 5,51 4,13

Особенности производства

Изготовление печатных плат на различных заводах мировой электронной промышленности происходит неодинаково. Существуют определенные ограничения, связанные с используемым при изготовлении печатных плат оборудованием, которые необходимо учитывать в целях достижения максимального выхода годных и снижения издержек. В таблице 4 приводятся некоторые технологические ограничения и их описание.

Таблица 4. Некоторые технологические ограничения и их описание

Технологические ограничения
при конструировании
Описание
Соотношение площадка/отверстие:
площадка примерно на 0,6 мм (0,024″)
больше, чем диаметр отверстия
() Обеспечивает достаточную область, чтобы не допустить обрывов,
то есть выхода отверстия за край площадки (недостаточный поясок).
() Большие площадки могут находиться в противоречии с требованиями
к минимальным зазорам
«Слезы»
в области соединений проводников
с площадками
() Создают дополнительную область, предотвращающую обрывы.
() Могут увеличить надежность, препятствуя образованию трещин
на границе площадки и проводника при вибрации и термоциклировании.
() Могут находиться в противоречии с требованиями к минимальным зазорам
Толщина платы:
от 0,8 до 2,4 мм (от 0,031 до 0,0945″)
(с учетом меди)
(•) Более тонкие платы имеют тенденцию к короблению и требуют больше внимания
при монтаже компонентов в отверстия. Более толстые платы отличаются низким
процентом выхода годных из-за необходимости совмещения слоев. Выводы некоторых
компонентов недостаточно длинные для монтажа в отверстия на более толстых платах
Отношение толщины платы
к диаметру металлизированных отверстий:
предпочтительным является отношение ≤5:1
() Меньшие отношения обеспечивают бóльшую однородность металлизации отверстий,
облегчают их очистку и снижают изгиб сверла.
() Большие отверстия менее подвержены разрыву металлизированных стенок
Симметрия по толщине печатной платы:
верхняя половина должна быть зеркальным
отражением нижней для получения
сбалансированной конструкции
(•) Асимметричные платы имеют тенденцию к короблению.
() На симметрию платы влияет расположение областей металлизации общей шины
и питания, ориентация сигнальных проводников и направление нитей ткани
армирования.
() Крупные области металлизации также должны быть распределены по поверхности
платы с целью снижения ее коробления
Размер платы () Маленькие платы обладают меньшей склонностью к короблению
и обеспечивают лучшее совмещение слоев.
() При работе с большими панелями, имеющими мелкие элементы, следует рассмотреть
возможность приклеивания фольги и применения незакрепленных жестко слоев.
() Применение групповых панелей определяет стоимость
Зазор между проводниками
(≤0,1 мм (≤0,0039″))
() В меньших зазорах травители циркулируют неэффективно,
что приводит к неполному удалению металла
Элементы рисунка (ширина проводников)
≤0,1 мм (≤0,0039″)
() Элементы меньших размеров более чувствительны к обрывам и повреждениям
при травлении
Преимущества (), недостатки (), последствия неисполнения ограничений (•), комментарии ()

Электрические параметры

Минимальная ширина и толщина проводников на готовой плате должна определяться, в первую очередь, исходя из требований к допустимой токовой нагрузке и максимально допустимому перегреву проводника. Минимальные толщина и ширина проводников должны соответствовать графикам, приведенным на рис. 3.



Рис. 3. Графики токовой нагрузки и максимально допустимого перегрева проводника

Управляемый импеданс в многослойных платах может обеспечиваться с помощью двух распространенных методов, известных как «полосковая линия» или «встроенный микрополосок». Эти методы особенно хорошо подходят для обеспечения требований к импедансу и емкости (рис. 4).



Рис. 4. Методы обеспечения управляемого импеданса в многослойных платах: а) микрополосковая линия; б) внутренняя микрополосковая линия; в) симметричная полосковая линия; г) двойная полосковая линия

Требования к контактным площадкам и пояскам отверстий

Все контактные площадки и пояски отверстий должны быть по возможности максимального размера. Чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым к пояскам отверстий, с помощью приведенных ниже соотношений следует определить минимальные размеры контактной площадки, окружающей металлизированное или неметаллизированное отверстие. В наихудшем случае соотношение размеров отверстия и площадки должно соответствовать формуле:

Минимальный размер площадки =
=a+2b+c,

где а — максимальный диаметр готового отверстия (для внешних слоев используется максимальный диаметр готового отверстия, для внутренних — диаметр отверстия после сверления). b — минимальный требуемый поясок. (В расчете следует учитывать подтрав. Подтрав, когда он имеет место, уменьшает область изоляционного материала, на которую опирается внутренняя часть площадки. Минимальный поясок, применяемый в конструкции, не должен быть меньше, чем максимальный допустимый подтрав.) с — стандартное производственное отклонение, приведенное в таблице 5 и учитывающее применяемые инструменты и изменения параметров процесса при производстве печатных плат. (Для получения информации по дополнительным производственным отклонениям обратитесь к специализированным стандартам по конструированию.)

Таблица 5. Минимальные стандартные производственные отклонения для контактных площадок межслойной коммутации

Уровень
плотности А
Уровень
плотности В
Уровень
плотности С
0,4 мм (0,016″) 0,25 мм (0,00984″) 0,2 мм (0,0079″)

Минимальный поясок на внешнем слое определяется минимальным размером медной области (в самом узком месте) между краем отверстия и краем площадки после металлизации отверстия (рис. 5).



Рис. 5. Определение минимального пояска на внешнем слое

Кроме выполнения правил конструирования, описанных в стандартах серии IPC-2220, очень важно использовать правильную геометрию контактных площадок, предназначенных для поверхностного монтажа компонентов. Информация, приведенная в стандарте IPC-7351A (общие требования к конструкциям и контактным площадкам для поверхностного монтажа), имеет целью предоставить подходящие размеры, форму и допуски контактных площадок для поверхностного монтажа, чтобы обеспечить достаточную площадь для формирования галтели, удовлетворяющей требованиям процессов монтажа и пайки печатных плат, а также сделать возможным контроль, тестирование и ремонт этих паяных соединений.

Стандарт IPC-7351A определяет три уровня технологичности конструкции, которые относятся к элементам рисунка, допускам, измерениям, монтажу, контролю по завершении производственного процесса:

  • Уровень плотности A: конструкция общего уровня — предпочтительна (рис. 6а).
  • Уровень плотности B: конструкция среднего уровня — стандарт (рис. 6б).
  • Уровень плотности C: конструкция повышенной плотности — размеры уменьшены (рис. 6в).



Рис. 6. Уровни плотности по стандарту IPC-7351A: а) уровень А; б) уровень B; в) уровень С

Другим важным фактором является определение размеров монтажной зоны компонента — это минимальная площадь, обеспечивающая минимальный электрический и механический зазор как между максимальными габаритами самих компонентов, так и между максимальными габаритами групп их контактных площадок (рис. 7).



Рис. 7. Определение размеров монтажной зоны

Чтобы определить правильное посадочное место компонента, необходимо принять в расчет следующие параметры:

  • Производственные допуски следует учитывать уже на стадии проектирования изделия.
  • Монтажная зона представляет собой исходную величину для определения минимальной площади, необходимой для размещения компонента и группы контактных площадок.
  • При определении дополнительной площади компонента, необходимой для выполнения установки, тестирования, доработок и ремонта, должны оказать помощь специалисты по производству, монтажу и тестированию.

Данный стандарт IPC, задающий размеры групп контактных площадок, включает в себя специальное программное обеспечение — Land Pattern Viewer, которое может оказаться очень полезным при применении рекомендованных IPC размеров контактных площадок.

Продолжение: Стандарт IPC-4101C и серия IPC-6010

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо