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

№ 1’2010
PDF версия
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.

Ларс Валлин (Lars Wallin)

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

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *