Définition de la classe IPC | Classe 2 et classe 3 : règles de conception de circuits imprimés différentes

Les cartes de circuits imprimés (PCB) sont l'épine dorsale qui permet à tous Composants electroniques Pour communiquer de manière fluide. Presque tous les systèmes reposent sur une transmission de signaux impeccable au niveau de la carte pour fonctionner correctement. Cependant, la conception de circuits imprimés peut s'avérer complexe, compte tenu des nombreuses spécifications et paramètres. Du placement et du routage des composants à la garantie de la résilience environnementale et de la fabricabilité, il est crucial de réussir du premier coup.

Au cœur de toute conception de PCB se trouve le choix de la classe IPC, qui détermine les normes de dégagement et d'espacement. Choisir une classe adaptée, conciliant fonctionnalité, fiabilité et coûts, peut être déterminant pour la réussite ou l'échec d'un projet.

Lisez ce guide ultime qui fait le tri, en soulignant les principales différences entre les classes IPC.

Qu'est-ce qu'une classe IPC ?

Que signifie la classe IPC ? La classe IPC fait référence au système de classification normalisé développé par l'IPC (Institute for Printed Circuits) pour classer les circuits imprimés (PCB) en fonction de leur niveau de qualité et de leurs capacités de fabrication. L'IPC a développé ce système de classification dans les années 1970 afin d'établir des normes industrielles et un langage communs concernant la qualité et la complexité des PCB. 

Il existe trois classes IPC, de la classe 1 à la classe 3. Les circuits imprimés de classe 1 présentent la conception la plus simple, avec le moins de couches et les niveaux de tolérance les plus stricts. Plus le numéro de classe augmente, plus la conception de la carte se complexifie : plus de couches, des tolérances plus strictes, des composants plus petits et une densité de composants accrue. Les cartes de classe 3 sont celles qui requièrent le plus de technologies de fabrication avancées et des processus, avec des tolérances au niveau micrométrique et la capacité de placer des composants microscopiques à des densités élevées.

L'adoption des normes de classe IPC est essentielle pour les fabricants et les acheteurs de circuits imprimés. Elle offre un moyen commun et cohérent de spécifier le niveau de qualité et la complexité d'une conception de carte. Le fabricant dispose ainsi des capacités et des processus nécessaires pour produire une carte répondant précisément aux exigences de conception.

Pour les acheteurs, elle établit des attentes cohérentes en matière de qualité. La classification permet également d'estimer les coûts de manière approximative, car les classes supérieures correspondent généralement à des conceptions plus complexes et à des coûts de fabrication plus élevés.

Classe 1 de l'IPC : Produits électroniques généraux

La classification électronique de classe 1 de l'IPC, également appelée « électronique générale », regroupe les cartes conçues pour des produits économiques et à courte durée de vie. Ces circuits sont soumis aux normes de contrôle qualité les plus souples par rapport aux autres classes.

Pensez aux composants électroniques des gadgets à usage unique, comme une brosse à dents électrique de marque à prix réduit ou des cartes de vœux originales diffusant de courts extraits musicaux. Bien que divertissants pour une courte durée d'utilisation, personne ne s'attend à ce que ces appareils jetables conservent toutes leurs fonctionnalités sur le long terme. Leurs composants bon marché sont conçus pour durer aussi longtemps que la valeur perçue du produit.

Cette classification représente le segment d'entrée de gamme du marché de l'électronique. La conception des circuits et les procédés de fabrication ont tendance à rogner sur les coûts afin de maximiser les marges bénéficiaires. Cela conduit à négliger des caractéristiques telles que des tolérances strictes pour les composants, des normes de test rigoureuses et des matériaux robustes. Par conséquent, les produits électroniques courants présentent souvent une fiabilité et une durabilité inférieures à celles des catégories supérieures.

Certains majeurs fabricants sous contrat d'électronique ont complètement abandonné la production de classe 1. La plupart des grandes entreprises se concentrent uniquement sur les classes 2 et 3, en raison des exigences de qualité et de durabilité à long terme de leurs clients pour les applications critiques. Se spécialiser dans la conception et l'assemblage méticuleux de cartes axées sur la résilience répond mieux aux besoins des clients qu'une fabrication à petit budget.

IPC Classe 2 : Produits électroniques à service dédié

Les normes IPC de classe 2 couvrent une large gamme d'appareils et de systèmes électroniques destinés à des applications où l'on s'attend à un fonctionnement continu, mais où l'on peut tolérer des pannes temporaires. La fiabilité du produit tout au long de sa durée de vie est importante, même si les conséquences d'une défaillance imprévue ne présentent pas de risques graves pour le personnel ou les infrastructures critiques.

Certains types de produits IPC de classe 2 courants comprennent :

● Systèmes de contrôle industriel
● Contrôleurs d'automatisation
● Équipement CVC commercial
● Capteurs de surveillance
● Instruments de test et de mesure
● Écrans de machines lourdes et interfaces IHM
● Radios de communication pour la transmission de données non essentielles.

Même si les temps d’arrêt des appareils électroniques de classe 2 peuvent entraîner des inefficacités économiques ou des arrêts de travail, la sécurité n’est pas compromise.

Les fabricants de composants électroniques de classe 2 utilisent des méthodes de conception et de production rigoureuses pour maximiser leur durée de vie dans des conditions d'utilisation normales. La sélection des composants implique un examen de leur tolérance à la chaleur, aux vibrations, aux fluctuations de puissance et à la corrosion/exposition aux produits chimiques. Les circuits imprimés utilisent des pistes de cuivre épaisses, solidement soudées par une soudure de haute qualité.

Revêtement enrobant Scelle les cartes contre l'humidité. Les structures mécaniques robustes sont dotées d'un châssis métallique, d'un système d'amortissement des vibrations et de joints pour protéger l'électronique interne de la poussière, des débris et des températures extrêmes. Les connecteurs supportent des cycles d'accouplement élevés sous de fortes charges. Des tests rigoureux garantissent que tous les processus d'assemblage sont conformes aux normes de qualité IPC.

Les protections électroniques et logicielles permettent aux systèmes de classe 2 de fonctionner de manière fiable, même si des agressions environnementales entraînent des pannes de composants au fil du temps. Des processeurs redondants, une mémoire de contrôle des erreurs, des horloges de surveillance et des micrologiciels/paramètres configurables facilitent la récupération à distance en cas de problème imprévu.

Prendre en compte le niveau de robustesse dès la conception initiale permet d'éviter une réingénierie ultérieure coûteuse du produit. Les spécifications de classe 2 influencent la résistance et la taille du boîtier, les caractéristiques nominales de l'alimentation, la robustesse de l'interface, les spécifications des composants installés et les capacités d'enregistrement et d'historique des pannes. Le choix stratégique des composants permet d'équilibrer durabilité et coût par rapport aux classes IPC supérieures.

Adhérer à IPC-A-610 Le respect des normes d'acceptabilité tout au long du processus d'assemblage contribue à atteindre la longue durée de vie requise pour les produits de classe 2 fonctionnant pendant une décennie ou plus en environnement industriel. Grâce à une fabrication méticuleuse conforme à ces spécifications rigoureuses, les composants électroniques de classe 2 offrent des années de fonctionnement fiable.

Classe 3 IPC : Produits électroniques haute fiabilité

La classe 3 de l'IPC concerne les produits et assemblages électroniques exigeant un haut degré de fiabilité en fonction de leur utilisation prévue. Les produits de classe 3 sont censés fonctionner sans défaillance pendant de longues périodes, souvent plusieurs années, dans des applications où une défaillance pourrait entraîner des situations dangereuses ou critiques pour la sécurité. En raison de leur caractère critique, leur fabrication est soumise aux normes de contrôle qualité et de processus les plus strictes.

Certains des produits de classe 3 de l'IPC comprennent :

● Dispositifs médicaux tels que les stimulateurs cardiaques, les défibrillateurs, les dispositifs implantés, les équipements d'imagerie et les systèmes de survie
● Composants avioniques et de contrôle de vol dans les avions et les engins spatiaux
● Modules de contrôle moteur et systèmes anticollision pour véhicules
● Électronique militaire et de défense
● Dispositifs de surveillance des radiations pour les centrales nucléaires, les laboratoires et les hôpitaux
● Systèmes d'alarme incendie/fumée et de sécurité pour les bâtiments
● Infrastructure bancaire/de transaction pour distributeurs automatiques de billets, terminaux de point de vente, commutateurs financiers

Parmi les caractéristiques clés qui définissent la classe 3 figure son utilisation prévue dans des applications critiques pour la sécurité, telles que les dispositifs médicaux, l'aéronautique et l'aérospatiale, les systèmes militaires et de défense. Ces applications ont une tolérance zéro pour les défaillances. Les produits de classe 3 doivent également présenter une longue durée de vie opérationnelle, souvent de 5 à 10 ans, voire plus, avant qu'un remplacement ne soit nécessaire. Ils doivent conserver toute leur fonctionnalité dans des conditions environnementales très variées, telles que les températures extrêmes, l'humidité, les vibrations, la poussière et l'exposition aux produits chimiques.

Les exigences de fabrication pour la classe 3 sont très strictes. Tous les matériaux utilisés doivent être testés et qualifiés afin de garantir leur fiabilité à long terme dans toutes les conditions d'exploitation prévues. Les processus tels que l'assemblage, le soudage et le revêtement conforme doivent être soigneusement contrôlés et validés. Le contrôle statistique des procédés permet de surveiller tous les paramètres clés et de maintenir les procédés dans des limites de spécifications strictes.

Les composants sélectionnés pour les produits de classe 3 sont soumis au contrôle approfondi suivant :

● Test de durée de vie à haute accélération
● Durée de vie à haute/basse température
● Choc thermique
● Test d'exposition à l'humidité

Seules les pièces qui réussissent tous les tests avec un rendement élevé sont autorisées à l'utilisation. Des tests supplémentaires sur les assemblages et les produits finis comprennent des essais de contrainte hautement accélérés utilisant la température, les vibrations, la puissance absorbée et d'autres variables pour simuler le vieillissement sur la durée de vie prévue.

Les produits de classe 3 ont une tolérance zéro pour les défauts et nécessitent une inspection complète à différentes étapes, à l'aide de techniques telles que l'inspection optique automatisée, l'inspection par rayons X et la microscopie électronique à balayage. Les tests finaux soumettent les unités finies à un contrôle des contraintes environnementales, ainsi qu'à des tests fonctionnels dans les limites de tous les paramètres de fonctionnement prévus. Seuls les produits qui réussissent tous les tests et toutes les étapes d'inspection sont approuvés pour expédition aux clients.

Une documentation complète de toutes les données de conception, de fabrication et de test est nécessaire pour respecter les exigences de qualité strictes de la classe 3. La traçabilité de tous les matériaux et composants est assurée grâce à des techniques telles que la sérialisation. Les produits font également l'objet d'une surveillance à long terme et d'une conservation des données en vue d'un éventuel rappel complet si des problèmes de faible rendement apparaissent au fil du temps. Les coûts d'assurance qualité liés au respect des normes de classe 3 sont nettement plus élevés que pour les autres classes, mais ils sont nécessaires pour les applications impliquant des exigences critiques en matière de sécurité et de fiabilité.

Différences générales entre la classe 2 et la classe 3

Les classes 2 et 3 sont deux classes distinctes de PCB définies par l'IPC en fonction de leurs exigences de qualité et de performance. Voici quelques différences générales entre les classes 2 et 3 de l'IPC. 

Applications

La classe 2 de l'IPC est destinée aux produits électroniques commerciaux généraux, tels que les ordinateurs et les appareils grand public. Elle permet un espacement plus réduit des composants et des pistes et dégagements plus fins que la classe 3.

La classe 3 est destinée aux applications industrielles à durée de vie plus longue telles que les équipements militaires, aérospatiaux, automobiles et médicaux qui doivent résister à des environnements plus extrêmes et avoir une durée de vie opérationnelle plus longue.

Composants de montage en surface

La classe 2 permet un espacement et un pas plus réduits entre les composants montés en surface. L'espacement minimal entre les pastilles est de seulement 4 mils, contre 6 mils pour la classe 3. Cela permet une plus grande densité de composants montés en surface pour les conceptions de classe 2.

Cependant, le compromis est que les jeux étroits rendent les conceptions de classe 2 plus sujettes aux problèmes liés aux cycles de température au fil du temps dans des environnements difficiles.

Bague annulaire Éclater

La classe IPC 2 permet une rupture de 90 % de la bague annulaire, à condition de respecter l'espacement littéral minimal. Cela signifie que les connexions peuvent exploiter la quasi-totalité de la surface de la bague annulaire, permettant ainsi un conditionnement très dense.

En revanche, la classe IPC 3 ne permet pas de rupture de la bague annulaire. Elle exige que la totalité de la surface de la bague reste non plaquée afin de se prémunir contre les variations de fabrication.

Ainsi, tandis que la classe 2 offre une flexibilité de conception pour des espacements minimaux, la classe 3 privilégie la fiabilité sur une longue durée de vie en éliminant les ruptures dans la bague annulaire.

Exigences minimales en matière de revêtement en cuivre

Pour les vias enterrés et les trous métallisés borgnes et enterrés, la classe 2 nécessite 100 mils d'enveloppe conductrice autour de la paroi verticale, et la classe 3 nécessite 150 mils.

L'enveloppe en cuivre plus petite de la classe 2 permet à nouveau des diamètres de trous réduits et un espacement plus serré, tandis que la classe 3 maintient la conductivité et la résistance même si une partie de l'enveloppe est gravée au cours de décennies d'utilisation et d'exposition environnementale.

Classe 2 vs Classe 3 : différences dans la fabrication des PCB

Lors de la conception d'un PCB, il est important de spécifier la classe IPC appropriée en fonction des exigences de l'application. Comme nous l'avons vu, les classes IPC 2 et 3 sont couramment utilisées pour les PCB rigides à usage général. Malgré leurs similitudes, leurs spécifications de fabrication présentent des différences majeures.

Bague annulaire et perçage

Les critères d'acceptation de la taille de la bague annulaire et de la tolérance de perçage diffèrent entre les cartes de circuits imprimés IPC de classe 2 et 3. Les cartes de classe 3 doivent respecter des normes plus strictes que les cartes de classe 2 afin de garantir une fiabilité et une durabilité accrues tout au long de la durée de vie du produit.

Le tableau ci-dessous fournit un résumé des spécifications de la bague annulaire IPC auxquelles chaque classe doit répondre :

Fonctionnalité	Classe IPC 2	Classe IPC 3
Taille minimale de la bague annulaire (externe)	0.05 mm (0.002 en)	0.076 mm (0.003 en)
Taille minimale de la bague annulaire (interne)	0.05 mm (0.002 en)	0.051 mm (0.002 en)
Évasement maximal du foret (externe)	90° ou moins	Aucun
Évasion maximale de Dirll (interne)	Tout angle	Aucun

Règles de conception des bagues annulaires

La conception des bagues annulaires dépend de plusieurs facteurs liés au circuit imprimé et au trou percé. Ces facteurs clés incluent le diamètre du perçage, la taille du plot, l'épaisseur du cuivre et le rapport hauteur/largeur.

Le diamètre du foret correspond à la taille du trou percé dans la carte. La taille de la pastille correspond à la circonférence du cuivre entourant le trou. L'épaisseur du cuivre est mesurée en onces par pied carré et indique la quantité de cuivre déposée sur la carte. Le rapport hauteur/largeur compare la profondeur du trou à son diamètre.

Pour garantir une largeur de bague annulaire adéquate et éviter la fissuration des bords percés, la plaquette doit être plus large que le trou percé. La distance minimale entre les deux est appelée surépaisseur de bague annulaire. Cette valeur varie en fonction des normes de classe IPC et du poids du cuivre.

Le tableau suivant présente quelques exemples de règles de conception pour les bagues annulaires basées sur les normes IPC de classe 2 et de classe 3 pour 1/2 oz de cuivre :

Fonctionnalité	Diamètre de foret et de tampon IPC classe 2 pour cuivre 1/2 oz	Diamètre de foret et de tampon IPC classe 3 pour cuivre 1/2 oz
Taille minimale du foret	0.25 mm (0.010 en)	0.25 mm (0.010 en)
Diamètre maximal du tampon (externe)	Taille du foret + 0.10 mm (0.004 po)	Taille du foret + 0.152 mm (0.006 po)
Diamètre maximal du tampon (interne)	Taille du foret + 0.10 mm (0.004 po)	Taille du foret + 0.102 mm (0.004 po)

PCB Diélectrique Exigences

Le matériau diélectrique entre les couches conductrices d'un circuit imprimé (PCB) joue un rôle crucial dans ses performances globales. Il affecte les caractéristiques électriques, comme l'intégrité du signal, ainsi que les propriétés physiques, comme la dissipation thermique et la résistance aux contraintes thermiques.

Les spécifications diélectriques sont réparties en classes IPC 2 et 3, les cartes de classe 3 étant soumises à des exigences plus strictes. Ces classes diffèrent sur des paramètres diélectriques clés, tels que :

● Épaisseur minimale
● Permittivité
● Tangente de perte
● Dilatation thermique
● Température de transition vitreuse
● Température de décomposition
● Absorption d'humidité.

Par exemple, les cartes de classe 3 nécessitent une épaisseur diélectrique d'au moins 50 microns contre 38 microns pour la classe 2. Leur permittivité et leur tangente de perte doivent également être plus faibles, tandis que des caractéristiques telles que la transition vitreuse et les températures de décomposition sont fixées plus haut.

Exigences relatives au placage des trous traversants des PCB

Le placage traversant joue un rôle essentiel dans les circuits imprimés. Il s'agit de la fine couche de cuivre déposée dans les trous percés pour assurer la connectivité électrique entre les différentes couches.

Les classes IPC 2 et 3 définissent des exigences en matière d'épaisseur, de couverture et de défauts pour garantir la performance du placage traversant. Les cartes de classe 3 ont des exigences de placage traversant plus élevées que celles de classe 2, car elles exigent une conductivité et une durabilité supérieures.

Par exemple, alors que la classe 2 autorise une épaisseur de placage minimale de 20 microns, la classe 3 la porte à 25 microns. D'autres facteurs, comme les pourcentages de couverture, sont également plus stricts pour la classe 3. Cela permet aux cartes de classe 3 de maintenir leurs performances et de durer plus longtemps en réduisant les problèmes liés aux fissures, aux vides ou aux séparations dans le placage traversant.

Classe 2 vs Classe 3 : différences dans l'assemblage des PCB

L'assemblage de circuits imprimés (PCB) consiste à fixer des composants électroniques sur un circuit imprimé (PCB) par soudage. Selon l'usage prévu et la fiabilité du PCB, différentes normes et spécifications peuvent s'appliquer. Voici quelques différences entre les PCB de classe 2 et de classe 3 en matière d'assemblage.

Montage en surface

La technologie de montage en surface fixe directement les composants à la surface des circuits imprimés, sans perçage. Cela permet d'obtenir des composants plus petits et plus compacts, ainsi qu'un assemblage de cartes plus dense, à un coût inférieur à celui du montage traversant. Cependant, un positionnement et une soudure précis sont nécessaires pour des connexions électriques fiables.

L'IPC classe les composants montés en surface en deux catégories : pas fin (espacement des broches ≤ 0.8 mm mais > 0.5 mm), pas très fin (≤ 0.5 mm mais > 0.3 mm) et pas ultra-fin (≤ 0.3 mm). Ces exigences varient selon la classe.

La classe 2 autorise un surplomb/une hauteur de filet plus importants pour un pas fin/très fin, tandis que la classe 3 spécifie des minimums tels qu'une hauteur de filet de 75 % ou une hauteur de filet de 0.25 mm.

La classe 2 autorise également une largeur de joint de soudure minimale de 50 % de la largeur de la plage ou de 0.15 mm pour un pas ultra-fin, contre 3 % de la largeur de la plage ou 75 mm minimum pour la classe 0.25.

Quantité de remplissage du baril

Le remplissage du fût mesure la quantité de soudure qui remplit les trous des composants métallisés (PTH) fixés sur un circuit imprimé (PCB). Les composants PTH sont dotés de fils insérés dans des trous cuivrés pour établir des connexions électriques. Le remplissage du fût influence la résistance mécanique et la conductivité du joint de soudure.

L'IPC spécifie les critères de remplissage du fût en fonction de la classe du PCB et du type de composant PTH. Pour les composants simple face, les PCB de classe 2 nécessitent un remplissage du fût d'au moins 50 %, tandis que ceux de classe 3 nécessitent un remplissage de 75 %.

Les composants double face des circuits imprimés de classe 2 nécessitent un remplissage minimal du fût de 75 %, et ceux de classe 3, de 100 %. Les vias borgnes ou enterrés, qui relient les couches internes mais ne sont pas visibles en surface, doivent avoir un remplissage d'au moins 50 % pour les circuits imprimés de classe 2 et de 75 % pour les circuits imprimés de classe 3. Un remplissage adéquat du fût est essentiel à la fiabilité.

Conclusion

Choisir avec soin la classe IPC optimale est crucial lors de la conception de circuits imprimés. Suivre les directives décrites dans ce guide vous permettra de choisir les exigences de classe adaptées à vos objectifs de conception, à la taille de vos composants et à vos procédés de fabrication. Que vous optiez pour une classe IPC supérieure ou inférieure, la prise en compte de facteurs tels que la largeur des pistes, la taille des vias, l'espacement et la taille des perçages est essentielle pour répondre aux exigences de fiabilité et de fabricabilité.

Pour des services de fabrication de circuits imprimés clés en main, de la conception à l'assemblage, contactez PCBasic. En tant que fabricant leader de circuits imprimés et de cartes de circuits imprimés, nous possédons l'expertise nécessaire pour évaluer la conformité de votre carte aux normes IPC et produire des prototypes de haute qualité en grandes quantités. Nos procédures de contrôle qualité garantissent le strict respect de toutes les normes IPC. Contactez-nous dès aujourd'hui pour discuter d'un partenariat avec nous pour votre prochain projet.