Актуальные стандарты IPC для производства электроники

Андрей Новиков

Хартмут Пошманн

Возрастающее значение
стандартов и объединений

В связи со стремительным техническим развитием в области конструирования и технологий производства электроники, а также в связи с изменяющимися общими экономическими условиями технические директивы или стандарты не потеряли
своего значения для промышленности. Напротив,
растущее распределение отдельных задач или специализация, которая происходит в промышленности с помощью аутсорсинга и/или глобализации
процесса производства, только усиливает потребность в актуальных технических директивах, помогающих в работе. Вследствие этих тенденций
электронные модули изготавливает все большее
количество специалистов с различным уровнем образования, дифференцированными требованиями
к квалификации и качеству продукции, а также
с различной культурно-этнической подоплекой при
возрастающих экономических требованиях. Это
означает, что становится все сложнее соблюдать определенный минимально допустимый предел качества продукции. Для достижения этой цели предприятие должно прилагать больше усилий, чем
раньше.

В брошюре DIN (Deutsches Institut für Normung e.V.—
Немецкий институт стандартизации) г-н Отто
Кинцле, один из основателей данной организации,
дал следующее определение стандартизации: «Стандартизация — это исключительное определенное
решение повторяющейся задачи при соответственно заданных научных, технических и экономических возможностях».

Стандарты или директивы представляют собой
тем самым общедоступную базу знаний с взвешенными, обобщенными и признанными полезными
знаниями. Они помогают пользователю использовать общую базу знаний и разрабатывать единые представления о качестве. Именно это свойство имеет очень большое значение для экономики, подверженной глобализации, и при продолжающемся процессе аутсорсинга. Чем актуальней
стандарты отражают уровень знаний определенной отрасли, тем больше их важность для экономики. Для решения определенного круга задач,
вместо того, чтобы заново «изобретать колесо»,
нужно разработать специфичные для определенного предприятия стандарты, которые, в свою очередь, основаны на общепринятых стандартах.

При применении актуальных стандартов компании получают «минимально необходимый импульс для продвижения вперед». Экономическая
польза от применения актуальных стандартов очевидна: они облегчают предприятиям быстрое достижение прибыльности. Это существенная причина того, что отраслевое объединение американской электронной промышленности IPC (Institute
for Printed Circuits —Институт печатных плат, теперь Association Connecting Electronics Industries—Ассоциация, объединяющая электронную промышленность) с момента своего образования активно занимается разработкой стандартов для этой
отрасли промышленности. Согласно точному описанию в брошюре организации DIN техническая
стандартизация является «задачей самоуправления
заинтересованных в этом кругов с включением государственных структур», то есть задачей самих
предприятий электронной промышленности. Руководство IPC знает, что современные системы
стандартов необходимо постоянно обновлять
и подвергать доработке под руководством отраслевого объединения. Это подчеркивает важную роль,
которую функционирующее отраслевое объединение может играть для электронной промышленности своей страны и за ее пределами.

Рисунок. Распределение работы по стандартизации между IPC и другими международными отраслевыми промышленными объединениями

Растущее поле деятельности IPC:
разработка стандартов

Ассоциация IPC с офисом в Баннокбурне,
штат Иллинойс, США, была основана
в 1957 году. В 2007 году после 50-летнего существования организации ее члены смогли
оценить крайне позитивное развитие IPC.
Это промышленное объединение насчитывает на данный момент более 2500 компанийчленов в 54 странах по всему миру. Особенно в Азии постоянно возрастает количество
компаний-членов, а также количество предприятий, использующих стандарты IPC в основе своей деятельности.

Целеустремленные действия IPC направлены на то, чтобы стать признанным ведущим объединением отрасли производства
электроники, которым IPC на данный момент, возможно, уже является. Разработка
стандартов — одна из важнейших областей
деятельности для достижения желаемой позиции. В зависимости от целесообразности
IPC сотрудничает при разработке новых документов с прочими национальными и международными отраслевыми объединениями.
В первую очередь это находящиеся в США
промышленные объединения JEDEC, EIA
и WHMA. JEDEC и EIA являются «родными»
для многих производителей электронных
компонентов, так как проблематика создания
ЭК оказывает большое влияние на проектирование и изготовление электронных узлов
(рисунок). Однако и японское объединение
производителей печатных плат JPCA относится к партнерам IPC. В каталоге (Publications
Catalog 2007–2008 [1]) нумерация стандартов
позволяет понять, какое объединение участвовало в совместной разработке определенного документа (табл. 1). Данный каталог содержит указания и краткое описание более
чем трехсот стандартов (Standards) и справочников (Guides), впрочем, последние зачастую представляют собой перевод содержания стандартов. Например, IPC-HDBK-610
Handbook and Guide to Supplement IPC-A-610
Acceptability of Electronic Assemblies; IPCHDBK-840 Solder Mask Handbook — в качестве перевода стандарта IPC-SM-840D.

Таблица 1. IPC-стандарты для производства электроники, переведенные в Китае, Японии и Германии
(по состоянию на 07.08.08)

Растущее количество
переводов документов IPC

Особенно стремительное развитие электронной промышленности в Китае позволило руководителям компаний понять, что использование стандартов IPC может помочь им быстрее догнать ведущие западные промышленные
страны. С 2007 года в Японии также увеличилось количество переводов стандартов IPC,
причем нельзя не заметить определенное единообразие с теми документами, которые были
также переведены на китайский язык (табл. 1).
Возможная причина этого единообразия заключается в том, что переводы на японский
и китайский языки облегчают сотрудничество
японских компаний с партнерами в Китае, куда было перенесено производство. С 2007 года
компания «Предприятие ОСТЕК» предлагает
отечественной электронной промышленности в России все большее количество переводов
на русский язык стандартов для производства
электронных модулей [2].

Хорошим примером глобализации применения стандартов IPC может служить стандарт IPC-A-610D «Критерии приемки электронных сборок». Актуальная англоязычная
версия D была переведена до августа 2008 года на 13 языков: китайский, датский, немецкий, финский, французский, итальянский,
японский, польский, румынский, русский,
шведский, испанский и вьетнамский. При сопоставлении языкового отношения переводов с отдельными регионами мира становится очевидным, что стандарт IPC-A-610D (переводы и оригинал на английском языке) покрывает значительную часть мира и скоро станет международным стандартом (табл. 2).

Таблица 2. Регионы применения переводов
стандарта IPC-A-610D

Немецкое отраслевое объединение по проектированию и производству печатных плат
и электронных модулей — FED (Fachverband
Elektronik Design e.V.)—занимает одну из ведущих позиций по количеству переводов (14)
наиболее важных стандартов IPC (табл. 3).
В дополнение к ним была также переведена
документация для обучения и сертификации
сотрудников предприятий согласно стандарту IPC-A-610D (CIT = Certified IPC Trainer
и CIS = Certified IPC Specialists) [3]. Тематика переведенных стандартов включает в себя
наиболее важные процессы изготовления электронных модулей и тем самым позволяет
немецким предприятиям воспользоваться
полным сортиментом документов IPC. Это
особенно важно для сотрудников, уровень владения техническим английским языком которых не позволяет им надежно использовать
англоязычные оригиналы документов. Для новых сотрудников, которые до этого работали
в другой отрасли, это ведет к облегчению начального применения стандартов IPC.

Таблица 3. Стандарты IPC, которые были переведены на немецкий язык организацией FED

* На данный момент организация FED переводит этот стандарт на немецкий язык

Основная структура и общее
применение системы стандартов

Целью IPC являлось и является создание
полной системы стандартов, начиная от ламинатов и проектирования и заканчивая конечным электронным узлом. Отдельные стандарты для ламинатов, проектирования, изготовления печатных плат и электронных узлов,
по ремонту, доработке и т. д. разработаны по
принципу конструктора. Они «надстраиваются», как частично внутри конкретной технической темы, так и в цепочке производства электроники. Толстые стрелки в таблице 4 символизируют двумерный принцип основных
направлений: для каждого основного шага создания электронного узла разработана серия
стандартов, во главе которой находится документ с основными требованиями по этой теме (ламинаты, проектирование и т. д.). Дальнейшие стандарты, которые посвящены определенным темам, иерархически продолжают
эти базовые или основные документы. Таким
образом, создается серия стандартов.

Таблица 4. Связь по содержанию стандартов IPC

Ламинаты для ПП	Проектирование	Изготовление ПП	Изготовление электронных модулей	Доработка/ремонт
IPC-4100-серия Ламинаты для жестких или многослойных ПП: IPC-4101B Специальные ламинаты: IPC-4110 (phenolic resin) IPC-4121 (Multilayer Core) IPC/JPCA-4101 (HDI) IPC-4103 (High Speed) IPC-4200-Serie IPC-4202 (flex dielectric) IPC-4203 (flex dielectric) IPC-4204 (flex dielectric)	IPC-2220-серия Общие требования по проектированию: IPC-2221A Особые требования по проектированию: IPC-2222 (rigid PCB) IPC-2223B (flex PCB) IPC-2224 (PC Card) IPC-2225 (MCM) IPC-2226 (HDI-PCB) IPC-2250-Serie: IPC-2251 (High-Speed) IPC-2252 (RF/Microwave)	IPC-6010-серия Общие требования к изготовлению ПП: IPC-6011 Особые требования к ПП: IPC-6012B (rigid PCB) IPC-6013A (flex PCB) IPC-6015 (MCM) IPC-6016 (HDI-PCB) IPC-6018A (Microwave)	J-STD-серия Общие требования к процессам пайки: J-STD-001D Особые проблемы пайки: J-STD-002C (Тест на паяемость компонентов) J-STD-003B (Тест на паяемость ПП) J-STD-004A (Требования к флюсу) J-STD-005 (Требования к паяльным пастам) J-STD-020D (влажность — пайка оплавлением — классификационный тест компонентов SMT)	IPC-7711/21B Доработка, ремонт, модификация электронных модулей
	IPC-7351A Land Pattern	IPC-A-600G Визуальные критерии приемки ПП	IPC-A-610D Визуальные критерии приемки электронных модулей IPC/WHMA-A-620A Визуальные требования и критерии приемки кабелей и кабельных стволов

Например, стандарт IPC-2221 представляет
собой базовое направление серии стандартов
по проектированию IPC-222x. Документы
IPC-2222 до 2226 с описанием определенных
и специфических тем подкрепляют стандарт
IPC-2221. При необходимости серия стандартов может быть дополнена новыми стандартами. Так, например, в данный момент стандарт IPC-6017 Qualification and Performance
Specification for Embedded Passive Printed Boards
внутри серии IPC-6010, которая содержит требования к печатным платам, находится в процессе разработки. Быстрый и актуальный обзор структуры системы стандартов IPC можно получить с помощью схемы разветвления
стандартов IPC (IPC Specification Tree), которая в связи со своим объемом не может быть
представлена в данной статье, но доступна для
скачивания в Интернете [4].

Усилия IPC направлены на согласование содержания документов отдельных серий стандартов с соответствующими этапами создания электронных модулей, так, например, содержание серии IPC-222x по проектированию
согласуется с содержанием серии «Требования
к печатным платам» (IPC-6010) и с визуальными критериями приемки печатных плат
(IPC-A-600G). Это относится также к кабелям
и разъемам IPC/WHMA-A-620A) и электронным узлам (IPC-A-610D). Стандарты IPC необходимо по возможности применять при учете этих взаимосвязей для извлечения из них
максимальной пользы. Однако это требует общего знания системы стандартов IPC.

В своих стандартах IPC берет за основу разделение готовых электронных приборов на
три класса:

• Класс 1: бытовая электроника —
  General Electronic Products.
• Класс 2: промышленная электроника —
  Dedicated Service Electronic Products.
• Класс 3: специальная электроника —
  High Performance Products.

Расширение
области стандартизации

Так как для военной и авиационно-космической техники в некоторых случаях недостаточно и без того высоких требований к электронике 3-го класса, несколько лет назад IPC
фактически добавила новый класс — 3+.

На базе этого расширения IPC начала дополнять специальными документами важные основные направления, в том числе и визуальные критерии приемки. Примеры:

• J-STD-001DS.1: Space Applications Electronic
  Hardware Addendum to J-STD-001D Requirements
  for Soldered Electrical and Electronic
  Assemblies (2006).
• IPC/WHMA-A-620AS: Space Applications
  Electronic Hardware Addendum to IPC/WHMAA-620A (кабельная разделка, разъемы и т. д.,
  будет издан предположительно в 2008 году).

Стандарт IPC-6012B Qualification and Performance
Specification for Rigid Printed Boards уже
в 2004 году был дополнен специальным разделом «Спецификация класса электроники для
космической и военной авиационной техники».
Расширение класса 3 классом 3+ в стандартах
происходит в рамках постепенного официального замещения военных стандартов (MILStandards)
министерства обороны США стандартами IPC.

При анализе находящихся на стадии разработки новых стандартов и документации для
обучения, а также уже готовых новых документов можно заметить, что область деятельности IPC расширяется в граничную область между схемотехникой и проектированием, а также в сторону конечного монтажа приборов
(Box Build). Особенно это касается определенных тем, которые с точки зрения стандартизации находятся в нейтральной зоне, и, возможно, другие организации обрабатывают их недостаточно актуально и гибко, что очень важно
для эффективного проектирования электронных узлов и приборов. Примеры:

• IPC-9591 Performance Parameters for Air
  Moving Devices (год издания: 2006).
• IPC-2612 Sectional Requirements for Electronic
  Diagramming Documentation (Schematic
  and Logic Descriptions) (издание ожидается
  в 2009 году).

Начиная с 1997 года, IPC разрабатывает
новые стандарты согласно методике ANSI
(American National Standards Institute — Американский национальный институт стандартов).
ANSI представляет собой главную государственную организацию по стандартизации в США.
Тем самым IPC хочет гарантировать определенный минимальный уровень качества своих стандартов: важные документы проходят
после разработки дополнительную сертификацию в ANSI.

Для выполнения своей стратегии глобализации IPC старается в последнее время обновлять наиболее важные основные стандарты
с периодичностью в 2–3 года в соответствии
с актуальным уровнем технического развития.
Во многих случаях это успешно происходит,
в качестве примера можно привести стандарты IPC-J-STD-001, IPC-A-610D. В таблице 5
представлены важные стандарты для технологии пайки, изданные не более трех лет назад. В этих стандартах уже частично учтен переход на бессвинцовые процессы пайки и использование экологичных материалов.

Таблица 5. Актуальность стандартов для технологии пайки и паяльных материалов

Примечание. WD = Working Draft (первый рабочий вариант)

Новые стандарты
2007, 2008, 2009 годов

С января 2007 года и в течение первого полугодия 2008 года IPC издал 29 стандартов,
12 из которых представляют собой полностью
новые стандарты, а 17 являются обновленными документами (табл. 6). Пользователи стандартов IPC могут с помощью этого обзора
проверить актуальность применяемых ими
стандартов. В соответствии со статусом стандартизации (Status of Standardization) IPC на
август 2008 года в процессе разработки на данный момент находятся 39 стандартов и справочников (Guides), однако на различном этапе обработки [5]. До конца 2008 года в лучшем
случае ожидается издание 8 стандартов, статус которых Final Draft for Industry Review или
Proposed Standard for Ballot. Условие для этого — быстрое и успешное согласование с промышленными предприятиями, а также, возможно, с другими объединениями, участвующими в разработке, (табл. 7).

Таблица 6. Новые и обновленные документы IPC за 2007 г. и I полугодие 2008 г.

Таблица 7. Обновленные и запланированные новые стандарты IPC в 2008 г.

На данный момент (07.08.2008) 31 документ
имеет статус Working Draft (первый рабочий
вариант), из них 16 обновленных документов
и 15 новых стандартов (табл. 8). На издание
этих документов можно рассчитывать не раньше 2009 года.

Таблица 8. Новые и обновленные документы и справочники IPC, ожидаемые в 2009 году*

*Все документы находятся на стадии Working Draft (соответствует разработке документов рабочей группой IPC
на начальном уровне) на момент написания статьи (август 2008).

Под вопросом, однако, будет ли среди этих
документов стандарт IPC-2152 Standard for
Determining Current Carrying Capacity in Printed
Board Design. Соответствующая рабочая
группа IPC совместно с университетскими
партнерами уже 4 года занимается разработкой этого очень важного стандарта. Запланированный стандарт должен содержать новые
диаграммы для дизайна проводников печатных плат в зависимости от допустимой нагрузки по току. Поводом для разработки стала необходимость замены уже несколько десятилетий содержащихся в стандарте по
дизайну IPC-D-275, а позже и в стандарте
IPC-2221 кривых с допустимой нагрузкой по
току на новое семейство характеристик в связи с современными конструкциями электронных узлов с высокой плотностью компоновки и уже недостаточной дифференциацией.

Остается только ожидать, будет ли проект по
разработке этого стандарта вообще когда-нибудь успешно завершен, так как с момента начала работы над IPC-2152 уже значительно возросли требования, прежде всего к многослойным печатным платам.

О запланированных новых стандартах
(табл. 7–8) можно отметить следующее:

• J-STD-075 Classification of Non-IC Electronic
  Components for Assembly Processes — новый
  стандарт, который в качестве дополнения
  к J-STD-20D (полупроводниковые компоненты) должен помочь улучшить надежность процессов и электронных модулей.
• Стандарты IPC-7094 Design and Assembly
  Process Implementation for Flip Chip and Die
  Size Components, а также J-STD-029 Performance
  and Reliability Test Methods for Flip Chip,
  Chip Scale, BGA and Other Surface Mount Array
  Package Applications посвящены обработке
  компонентов, монтируемых по технологии
  FlipChip, а также обработке бескорпусных
  микрочипов.
• Стандарт IPC-7251 Generic Requirements for
  Through-Hole Design and Land Pattern Standard
  помогает при проектировании печатных плат с монтажом компонентов в отверстия, так как в новом стандарте IPC-7351A
  SMT Land Pattern описываются только SMD-компоненты.
• Стандарт IPC-1601 Printed Circuit Board
  Storage and Handling Guidelines поможет предприятиям в использовании печатных плат
  относительно их хранения и обращения с ними, так как этому вопросу необходимо уделять больше внимания в связи с переходом
  на бессвинцовые технологии пайки и более
  дифференцированную конфигурацию поверхности.
• Стандарт J-STD-709 Definition of Maximum
  Limits on Bromine and Chlorine Used in Materials
  for Low Halogen Electronic Components
  and Assemblies расширяет аспекты экологичных продуктов в системе стандартов IPC.

С информацией об актуальном состоянии
разработки новых документов можно ознакомиться на интернет-страницах IPC в Status
of Standardization [5].

Примечание. Оригинал статьи опубликован
в журнале PLUS (Produktion von Leiterplatten und
Systemen, 2008, № 9, Германия).

Литература

1. www.ipc.org/pdfs/pubcat_2006-FINAL-LR.pdf
2. Poschmann H. OSTEK — Erfolgsunternehmen
   in der wachsenden russischen Elektronikin-dustrie.
   Fachzeitschrift PLUS, 2008, Nr. 7, p. 1425–1434; или www.ostec-smt.ru/standards
3. www.fed.de/cgi-bin/index.pl
4. www.ipc.org/4.0_Knowledge/4.1_Standards/ SpecTree.pdf
5. www.ipc.org/Status.aspx