Наша компания находится в мире печатных плат достаточно давно и успела получить достаточный уровень компетенций и опыта в этой области. Работая с проектами плат разного уровня сложности и направленности, мы поняли, каким образом можно сделать платы качественными и надежными еще на этапе конструирования.
В этой статье хотели бы рассказать о стандартах изготовления печатных плат, т.к. много лет сотрудничали с IPC и представляли там российский сегмент печатных плат.
Проблемой стандартизации занимаются лучшие специалисты разных стран на протяжении длительного периода времени. Подходы к стандартам и стандартизации в различных государствах могут существенно отличаться. Например, в нашей стране разработкой и внедрением стандартов традиционно занимается государство. Или другой пример: стандарт PERFAG разработан «Объединением датской электронной промышленности». А вот стандарты IPC формируются и развиваются производителями электроники со всего мира.
В условиях глобализации особенно важно, чтобы участники рынка в разных странах одинаково понимали требования и оперировали единообразными терминами. В индустрии печатных плат это критично: изделие может разрабатываться в одной стране, изготовляться в другой, а эксплуатироваться — в десятке иных государств. Очевидно, что идеальных изделий не существует, однако именно стфандарты позволяют количественно оценить степень отклонения от идеала и понять, насколько это отклонение критично.
Наш путь работы со стандартами
Наша компания, ранее входившая в состав международной группы NCAB Group, детально изучила подходы разных стран к стандартизации в области печатных плат. Вопросы стандартизации всегда рассматривались нами как приоритетные: это касается технологических процессов, бизнес-процессов, а также непосредственно поставляемой продукции — печатных плат.
В течение длительного периода основным стандартом в России был ГОСТ 23751-86. Со времени его издания технологии и требования к печатным платам существенно изменились, и стандарт объективно устарел. Вместе с тем ГОСТы не отменены и продолжают действовать в Российской Федерации и сегодня.
Высокая динамика развития технологий и рынка подтолкнула нас к дальнейшему развитию в области стандартов. Особое внимание было уделено стандартам IPC, которые в последние годы получили широкое распространение во всем мире. Эти стандарты создаются и постоянно актуализируются производителями электроники, являются живыми документами и отражают накопленный мировой опыт. В 2007 году наша компания одной из первых в России стала членом организации IPC. После событий 2022 года мы не можем продолжать участие в разработке и обновлении стандартов, однако накопленный опыт и знания остаются нашим фундаментом.
За 15 лет тесного взаимодействия с IPC нам удалось принять участие в разработке и обновлении стандартов, в переводе ряда документов на русский язык, а также в популяризации стандартов IPC в России. Параллельно мы сами системно обучались, изучали стандарты и получали практический опыт взаимодействия с производителями электроники со всего мира.
Печатные платы для изделий ответственного или специального назначения составляют значительную часть нашего производства. В связи с этим одной из ключевых задач в области освоения стандартов IPC стало применение требований этих стандартов к платам ответственного/специального назначения. Далее подробно объясним, что подразумевается под такой категорией плат.
ГОСТ и IPC: классификация, термины и определения
ГОСТ предлагает разработчикам изделий четыре класса жесткости, соответствующих уровню «жесткости» условий эксплуатации изделий. Стандарт IPC, напротив, оперирует классификацией по требованиям к надежности изделий, выделяя три класса, из которых третий класс соответствует наивысшему уровню надежности функционирования. Ранее мы подробно рассматривали стандарты в материале о контроле качества на производстве.
Области применения третьего класса IPC рассматриваются как изделия специального/ответственного назначения. К ним относятся:
- медицинское оборудование;
- системы жизнеобеспечения;
- космическая техника;
- оборонная промышленность;
- бортовое оборудование;
- транспортные системы;
- другие критические приложения, где отказ недопустим.
Печатные платы, изготовленные по стандарту IPC класс 3, применяются в тех случаях, когда требуется:
- высокая надежность изделия;
- длительный срок службы;
- недопустимость простоев оборудования;
- гарантированное функционирование изделия в требуемые моменты времени;
- отсутствие периодов неисправного состояния.
Далее рассмотрим, за счет каких факторов достигается наивысший класс надежности.
Основные группы требований стандартов
Требования стандартов к печатным платам можно условно разделить на три основные группы:
- Проектирование и технологические возможности.
- Управление технологическим процессом.
- Контроль качества.
Для демонстрации логики требований эти аспекты рассматриваются на примере одного элемента печатной платы — сквозного переходного отверстия. Пример показателен, т.к. именно переходное отверстие — это самое узкое место печатной платы.
Минимальный гарантийный ободок внешнего слоя — это расстояние от внутренней поверхности стенки металлизированного отверстия до внешнего края контактной площадки (см. иллюстрацию, левая часть). Минимальный гарантийный ободок внутреннего слоя — это расстояние от зоны соединения медной металлизации стенки отверстия с внутренней контактной площадкой до наиболее удаленной наружной точки внутренней площадки (см. иллюстрацию, правая часть).
Измерение минимального гарантийного ободка на внешнем и внутреннем слоях регламентируется, в частности, стандартом IPC-2221C (пункт 9.1.2.2).
Измерение минимального гарантийного ободка на внешнем и внутреннем слое (IPC2221C 9.1.2.2 page 96)
Согласно требованиям IPC класс 3:
- допускается смещение отверстия относительно центра контактной площадки, но внешний ободок не должен быть менее 0,050 мм;
- минимальная величина внутреннего ободка должна составлять не менее 0,025 мм (25 мкм);
- допускается уменьшение внешнего ободка на 20% от минимального значения за счет дефектов, таких как царапины, точечные протравы, следы от инструмента и допустимая шероховатость.
Минимальные гарантийные пояски
Проектирование с учетом требований IPC
Обеспечение требований стандарта возможно уже на этапе проектирования. Конструктор должен подбирать диаметры сквозных отверстий и размеры площадок с учетом реальных технологических возможностей производства: биение инструмента сверлильного оборудования, допуски на размер сверла, допуски на совмещение топологии, возможный подтрав ободка и другие факторы. Иными словами, необходимо закладывать максимальное вероятное отклонение, чтобы гарантировать минимально допустимый ободок.
Если конструктор закладывает недостаточный ободок, то для 2-го класса допускается даже выход отверстия за пределы контактной площадки — для 2-го класса это не считается дефектом. Однако для 3-го класса подобная ситуация уже недопустима.
Выход отверстия за пределы ободка на 90°
При недостаточном ободке, заложенном в проект, может возникнуть ситуация, при которой производство плат по 3-му классу будет технологически невыполнимо. В этом случае причиной будет не ошибка технологического процесса, а именно ошибка проектирования.
Существует базовый принцип: надежность изделия закладывается на этапе разработки и проектирования.
Примечание: DFM (Design for Manufacturing) — подход к проектированию, при котором конструкция изделия изначально адаптирована к технологическим возможностям производства. Следование принципам DFM позволяет создавать печатные платы, которые стабильно производятся серийно, с высокой повторяемостью параметров и максимальным выходом годных изделий, что непосредственно влияет на стоимость продукции.
Правила конструирования печатных плат описаны в 22-й серии стандартов IPC. Например, стандарт IPC-2221 регламентирует конструирование жестких печатных плат; его ранняя версия доступна на русском языке. В пункте 9.1.1 указано, что контактные площадки должны по возможности быть максимально увеличены, с учетом правил проектирования и требуемых диэлектрических расстояний.
Размер контактной площадки рассчитывается по формуле:
a + 2b +c, где
a — максимальный финишный диаметр отверстия;
b — минимальный ободок;
c — стандартный производственный допуск, учитывающий отклонения, возникающие в процессе изготовления печатных плат.
Стандартный производственный допуск для контактных площадок
При этом необходимо учитывать дополнительные факторы:
- Для меди толщиной более 1 унции/фут² на каждую дополнительную унцию/фут² добавляется минимум 0,05 мм к размеру контактной площадки.
- При количестве слоев более восьми добавляется 0,05 мм.
В пункте 1.6.3 IPC-2221 указано, что уровень технологичности следует рассматривать не как требование к конструкции, а как механизм связи между конструкцией и возможностью ее изготовления. Использование одного уровня технологичности для отдельных характеристик не означает, что все другие характеристики должны быть того же уровня. Выбор уровня должен основываться на минимально необходимом значении, особенно для параметров, связанных с точностью, эксплуатационными характеристиками, плотностью проводящего рисунка.
Иными словами, в критически важных, ограниченных по габаритам областях допускается проектирование «на пределе возможностей», тогда как в менее нагруженных зонах при достаточных расстояниях целесообразно не применять чрезмерно мелкие допуски.
Если требуется, чтобы плата была произведена по 3-му классу, она должна быть спроектирована с учетом требований 3-го класса.
При корректном выборе параметров отверстий и ободков еще на этапе проектирования и при соблюдении технологии производства ситуация выхода отверстия за пределы гарантийного ободка не возникает. Ключевым фактором остается правильное задание размеров ободка и отверстия.
Контроль качества
Стандарты IPC подробно регламентируют требования к контролю гарантийного ободка. В IPC-6012 приведены варианты изготовления шлифов для контроля гарантийного ободка.
В соответствии с требованиями IPC класс 3, при производстве партии четырехслойных печатных плат объемом 91–150 панелей контроль только гарантийных ободков на внутренних слоях требует изготовления 125 шлифов. Это означает существенное разрушение части плат, необходимость дополнительного специализированного оборудования и значительные трудозатраты.
Варианты того, как могут быть сняты шлифы
Из этого следует, что контроль качества плат, произведенных по 3-му классу, является одной из наиболее ресурсоемких и дорогих стадий процесса.
Объем выборки определяется по таблице, в которой количество шлифов зависит от размерности партии. При этом используются данные таблицы приемочных испытаний, где указано, в соответствии с каким индексом следует проводить контроль. Для каждого контролируемого критерия установлен собственный объем выборки.
Объем выборки
Сравнение показателей для 2-го и 3-го классов демонстрирует значительную разницу: для ряда параметров может потребоваться, например, 19 образцов для 2-го класса и 125 — для 3-го. Такая разница неизбежно отражается на стоимости плат, увеличивая ее в несколько раз.
Приемочные испытания и их периодичность
Показательный пример: простая четырехслойная печатная плата для медицинской техники, произведенная по 3-му классу, может иметь сопоставимую стоимость с высокослойной (например, 20-слойной HDI) платой для видеокамеры, изготовленной по 2-му классу(!).
Как повысить качество и надежность на этапе конструирования
В стандартах IPC есть два ключевых требования, которые напрямую влияют на качество и надежность печатных плат:
- толщина металлизации стенки отверстия;
- финишная толщина меди на внешних слоях.
Требования к толщине металлизации стенки отверстия
Требования к финишной толщине медных проводников на внешних слоях
Согласно требованиям IPC, толщина металлизации стенки отверстия (измеряемая на шлифе в нескольких точках) должна составлять:
- для 2-го класса: среднее значение 20 мкм, минимальное — 18 мкм;
- для 3-го класса: среднее значение 25 мкм, минимальное — 20 мкм.
Финишная толщина меди на внешних слоях для 3-го класса также должна быть больше, чем для 2-го.
Для наших заказчиков предусмотрен дополнительный бонус: по умолчанию мы обеспечиваем толщину металлизации стенки отверстия и финишную толщину медных проводников внешних слоев на уровне требований 3-го класса. Это позволяет изготавливать более качественные и надежные печатные платы, даже если формально заказ ориентирован на менее жесткий класс.
Таким образом, заказчики нередко получают платы, соответствующие наивысшему уровню надежности и качества, даже не зная об этом.
Вместо заключения
При производстве электроники и, в частности, печатных плат, критически важен постоянный диалог между разработчиком/конструктором и технологом. Оптимальным является подход, при котором конструктор в определенной степени понимает технологические ограничения и требования, а технолог — особенности конструирования. Такая синергия обеспечивает высокое качество конечного изделия.
У всех участников процесса должен быть единый и однозначный взгляд на стандарты. Только при корректном проектировании, грамотном построении и соблюдении технологии производства, а также при системном и достаточном контроле качества, печатная плата может быть максимально приближена к идеалу, что особенно важно для электроники ответственного назначения.
