Печатные платы (ПП) являются основой, которая позволяет всем
электронные компоненты для бесперебойной связи. Почти каждая система полагается на безупречную передачу сигнала на уровне платы для правильной работы. Однако проектирование печатной платы может быть сложной задачей, учитывая множество спецификаций и параметров. От размещения и маршрутизации компонентов до обеспечения устойчивости к воздействию окружающей среды и технологичности — сделать все правильно с первого раза имеет решающее значение.
В основе любого дизайна печатной платы лежит выбор класса IPC, который определяет стандарты зазоров и расстояний. Выбор подходящего класса, который обеспечивает баланс функциональности, надежности и стоимости, может либо создать, либо разрушить проект.
Прочитайте это исчерпывающее руководство, в котором подробно рассматриваются основные различия между классами IPC.
Что такое класс МПК?
Так что же означает класс IPC? Класс IPC относится к стандартизированной системе классификации, разработанной IPC (Институт печатных схем) для категоризации печатных плат (ПП) на основе их уровней качества и производственных возможностей. IPC разработал эту систему классификации в 1970-х годах для установления общих отраслевых стандартов и языка относительно качества и сложности ПП.
Существует три обозначения классов IPC от Class 1 до Class 3. Печатные платы Class 1 имеют самую простую конструкцию с наименьшим количеством слоев и самыми строгими уровнями допусков. По мере увеличения номера класса конструкция платы становится сложнее с большим количеством слоев, более жесткими допусками, меньшими характеристиками схемы и повышенной плотностью компонентов. Платы Class 3 требуют наибольшего
передовые технологии производства и процессы с допусками на уровне микрометра и возможностью размещения микроскопических компонентов с высокой плотностью.
Принятие стандартов класса IPC жизненно важно как для производителей печатных плат, так и для покупателей. Это обеспечивает общий и последовательный способ указания уровня качества и сложности дизайна платы. Это гарантирует производителю необходимые возможности и процессы для производства платы, которая точно соответствует требованиям дизайна.
Для покупателей это устанавливает последовательные ожидания качества. Классификация также позволяет приблизительно оценить стоимость, поскольку более высокие классы обычно соответствуют более сложным конструкциям и более высоким производственным затратам.
Класс IPC 1: Изделия общей электроники
Классификация электроники IPC класса 1, также называемая «общей электроникой», состоит из плат, разработанных для недорогих, недолговечных продуктов. Эти схемы имеют самые мягкие стандарты контроля качества по сравнению с другими классами.
Подумайте об электронных компонентах, которые можно найти в одноразовых гаджетах, например, в электрической зубной щетке уцененного бренда или в новеньких поздравительных открытках, которые проигрывают короткие музыкальные клипы. Хотя они развлекают в течение предполагаемого короткого периода использования, никто не ожидает, что эти одноразовые устройства сохранят полную функциональность в течение длительного времени. Их дешевые компоненты спроектированы так, чтобы служить столько же, сколько воспринимается ценность продукта.
Эта классификация представляет собой нижний сегмент рынка электроники. Проектирование схем и производственные процессы, как правило, срезают углы, чтобы максимизировать прибыль. Это приводит к снижению приоритетности таких функций, как жесткие допуски компонентов, строгие стандарты тестирования и прочные материалы. В результате, общие электронные товары часто демонстрируют меньшую надежность и долговечность по сравнению с более высокими классами.
Некоторые основные
контрактные производители электроники полностью отказались от производства класса один. Большинство крупных фирм сосредоточены исключительно на классах два и три из-за требований своих клиентов к долгосрочному качеству и долговечности в критически важных приложениях. Специализация на тщательном проектировании и сборке плат, ориентированных на устойчивость, удовлетворяет потребности клиентов лучше, чем низкобюджетная работа.
Класс IPC 2: Электронные изделия специального назначения
Стандарты IPC Class 2 охватывают широкий спектр электронных устройств и систем, предназначенных для приложений, где люди ожидают непрерывной работы, но могут терпеть временные отключения. Надежность в течение всего срока службы продукта важна, хотя последствия неожиданного отказа не представляют серьезного риска для персонала или критической инфраструктуры.
Некоторые распространенные типы продукции класса IPC 2 включают в себя:
● Промышленные системы управления
● Контроллеры автоматизации
● Коммерческое оборудование HVAC
● Датчики мониторинга
● Контрольно-измерительные приборы
● Дисплеи тяжелой техники и интерфейсы HMI
● Радиостанции связи для передачи несущественных данных.
Хотя простой электроники 2-го класса может привести к экономической неэффективности или остановкам работы, безопасность не страдает.
Производители электроники класса 2 применяют строгие методы проектирования и производства для максимального увеличения срока службы в типичных условиях эксплуатации. Выбор компонентов включает проверку на устойчивость к нагреву, вибрации, колебаниям мощности и коррозии/химическому воздействию. Печатные платы используют толстые медные дорожки, надежно соединенные высококачественным припоем.
Защитное покрытие герметизирует платы от проникновения влаги. Прочные механические конструкции оснащены металлическим шасси, гасят вибрации и прокладки/уплотнители для защиты внутренней электроники от пыли, мусора и экстремальных температур. Разъемы выдерживают высокие циклы сопряжения при больших нагрузках. Строгие испытания подтверждают, что все процессы сборки соответствуют стандартам качества IPC.
Электронные и программные средства защиты позволяют системам класса 2 надежно работать, даже если воздействия окружающей среды со временем приводят к сбоям компонентов. Резервные процессоры, память с проверкой ошибок, сторожевые таймеры и настраиваемые параметры прошивки/параметров облегчают удаленное восстановление после непредвиденных проблем.
Учет уровня прочности на начальном этапе проектирования позволяет избежать дорогостоящей переделки продукта на более позднем этапе. Характеристики класса 2 влияют на прочность/размер корпуса, номинальные характеристики источника питания, надежность интерфейса, характеристики установленных компонентов и возможности регистрации отказов/истории. Стратегический выбор компонентов обеспечивает баланс между прочностью и стоимостью по сравнению с более высокими классами IPC.
Придерживаясь
ИПК-А-610 Стандарты приемлемости на протяжении всего процесса сборки помогают достичь длительного срока службы, требуемого для продукции класса 2, работающей в течение десятилетия или более в промышленных условиях. Благодаря тщательному производству в соответствии с этими строгими спецификациями электроника класса 2 обеспечивает годы надежной функциональности.
Класс IPC 3: Высоконадежные электронные изделия
Класс IPC 3 относится к электронным изделиям и узлам, которые требуют высокой степени надежности в зависимости от их предполагаемого использования. Изделия класса 3 должны работать без сбоев в течение длительных периодов, часто многих лет, в приложениях, где сбой может привести к опасным или критическим для безопасности ситуациям. В связи с критическим характером изделий класса 3 их производство осуществляется в соответствии с самыми строгими стандартами контроля качества и процесса.
Некоторые из продуктов класса IPC 3 включают в себя:
● Медицинские приборы, такие как кардиостимуляторы, дефибрилляторы, имплантированные приборы, оборудование для визуализации и системы жизнеобеспечения.
● Авионика и компоненты управления полетом в самолетах и космических кораблях
● Модули управления двигателем и системы предотвращения столкновений для транспортных средств
● Военная и оборонная электроника
● Устройства радиационного контроля для атомных электростанций, лабораторий, больниц
● Системы пожарной/дымовой сигнализации и безопасности для зданий
● Банковская/транзакционная инфраструктура для банкоматов, POS-устройств, финансовых коммутаторов
Среди ключевых характеристик, определяющих класс 3, — предполагаемая эксплуатация в критически важных для безопасности приложениях, таких как медицинские приборы, авиационные/космические, военные и оборонные системы. Эти приложения имеют нулевую терпимость к отказам продукта. Продукты класса 3 также должны демонстрировать длительный срок службы, часто 5-10 лет или более, прежде чем потребуется замена. Они должны сохранять полную функциональность в широком диапазоне условий окружающей среды, таких как экстремальные температуры, влажность, вибрация, пыль и химическое воздействие.
Требования к производству для Класса 3 очень строгие. Все используемые материалы должны быть испытаны и квалифицированы для обеспечения долгосрочной надежности во всех ожидаемых условиях эксплуатации. Такие процессы, как сборка, пайка и конформное покрытие, должны тщательно контролироваться и проверяться. Статистический контроль процесса используется для мониторинга всех ключевых параметров и поддержания процессов в жестких пределах спецификации.
Компоненты, отобранные для продуктов класса 3, проходят следующую тщательную проверку:
● Испытание на долговечность при высоком ускорении
● Срок службы при высоких/низких температурах
● Термический шок
● Испытание на воздействие влажности
Только те детали, которые прошли все испытания с высоким пределом текучести, одобрены для использования. Дополнительные испытания узлов и готовых изделий включают в себя высокоускоренные стресс-тесты с использованием температуры, вибрации, потребляемой мощности и других переменных для имитации старения в течение ожидаемого срока службы.
Изделия класса 3 имеют нулевую терпимость к дефектам и требуют 100% проверки на различных этапах с использованием таких методов, как автоматизированный оптический контроль, рентгеновский контроль и сканирующая электронная микроскопия. Окончательное тестирование подвергает готовые изделия проверке на воздействие окружающей среды, а также функциональному тестированию в пределах всех ожидаемых рабочих параметров. Только изделия, прошедшие все испытания и этапы проверки, допускаются к отправке клиентам.
Для соответствия строгим требованиям качества Класса 3 требуется обширная документация всех данных по проектированию, производству и испытаниям. Отслеживаемость всех материалов и компонентов поддерживается с помощью таких методов, как сериализация. Изделиям также назначается долгосрочный мониторинг и ведение записей для потенциальных полных отзывов продукции, если со временем возникнут проблемы с низким выходом. Расходы на обеспечение качества, связанные с соответствием стандартам Класса 3, значительно выше, чем для других классов, но они необходимы для приложений, в которых критически важны требования безопасности и надежности.
Общие различия между классом 2 и классом 3
Класс 2 и класс 3 — это два разных класса печатных плат, определенных IPC на основе их требований к качеству и производительности. Вот некоторые общие различия между классами IPC 2 и 3.
Приложения
Класс IPC 2 предназначен для общих коммерческих электронных продуктов, таких как компьютеры и потребительские устройства. Он допускает меньшие расстояния между компонентами и более тонкие дорожки и зазоры по сравнению с классом 3.
Класс 3 предназначен для промышленного применения с более длительным сроком службы, например, в военном, аэрокосмическом, автомобильном и медицинском оборудовании, которое должно выдерживать более экстремальные условия и иметь более длительный срок эксплуатации.
Класс 2 допускает меньшие расстояния и шаг компонентов поверхностного монтажа. Минимальный зазор между контактными площадками составляет всего 4 мил по сравнению с 6 мил для класса 3. Это обеспечивает большую плотность компонентов поверхностного монтажа для конструкций класса 2.
Однако компромисс заключается в том, что малые зазоры делают конструкции класса 2 более подверженными проблемам, связанным с циклическими изменениями температуры с течением времени в суровых условиях.
Класс IPC 2 допускает разрыв кольцевого кольца на 90% при условии сохранения минимального буквального расстояния. Это означает, что соединения могут использовать почти всю площадь внутри кольцевого кольца, что позволяет обеспечить очень плотную упаковку.
Напротив, класс IPC 3 не допускает разрыва кольцевого кольца. Он требует, чтобы вся площадь кольца оставалась непокрытой в качестве страховочного буфера против производственных отклонений.
Таким образом, в то время как класс 2 обеспечивает гибкость конструкции для минимальных зазоров, класс 3 отдает приоритет надежности, а не длительному сроку службы, исключая прорывы внутри кольцевого уплотнения.
Минимальные требования к медной обмотке
Для скрытых переходных отверстий, а также глухих и скрытых металлизированных отверстий класс 2 требует 100 мил проводящей обмотки вокруг вертикальной стенки, а класс 3 требует 150 мил.
Меньшее количество медной обмотки класса 2 снова позволяет уменьшить диаметр отверстий и уменьшить расстояние между ними, в то время как класс 3 сохраняет проводимость и прочность, даже если часть обмотки сотрется за десятилетия использования и воздействия окружающей среды.
Класс 2 против класса 3: различия в производстве печатных плат
При проектировании печатной платы важно указать соответствующий класс IPC на основе требований приложения. Как мы уже видели, классы IPC 2 и 3 обычно используются для жестких печатных плат общего назначения. Несмотря на сходство, существуют некоторые ключевые различия в их производственных спецификациях.
Кольцевое кольцо и отрыв сверла
Критерии приемлемости размера кольцевого кольца и допуска на вырыв сверла различаются для печатных плат IPC классов 2 и 3. Платы класса 3 должны соответствовать более строгим стандартам по сравнению с платами класса 2, чтобы обеспечить большую надежность и повышенную долговечность в течение всего срока службы изделия.
В таблице ниже приведена сводка спецификаций колец IPC, которым должен соответствовать каждый класс:
|
Особенность
|
МПК Класс 2
|
МПК Класс 3
|
|
Минимальный размер кольцевого кольца (внешний)
|
0.05 мм (в 0.002)
|
0.076 мм (в 0.003)
|
|
Минимальный размер кольцевого кольца (внутренний)
|
0.05 мм (в 0.002)
|
0.051 мм (в 0.002)
|
|
Максимальный вылет сверла (внешний)
|
90° или менее
|
Ничто
|
|
Максимальный прорыв dirll (внутренний)
|
Любой угол
|
Ничто
|
Правила проектирования кольцевых колец
Конструкция кольцевых колец зависит от множества факторов, связанных с печатной платой и просверленным отверстием. Эти ключевые соображения включают диаметр сверла, размер контактной площадки, толщину меди и соотношение сторон.
Диаметр сверла относится к размеру отверстия, просверленного в плате. Размер площадки — это окружность меди, окружающей отверстие. Толщина меди измеряется в унциях на квадратный фут и указывает, сколько меди нанесено на плату. Соотношение сторон сравнивает глубину отверстия с его диаметром.
Чтобы обеспечить подходящую ширину кольцевого кольца и предотвратить растрескивание просверленных краев, прокладка должна быть больше, чем просверленное отверстие. Минимальное расстояние между ними называется допуском на кольцевое кольцо. Это значение варьируется в зависимости от стандартов класса IPC и веса меди.
В следующей таблице приведены некоторые примеры правил проектирования кольцевых изделий на основе стандартов IPC классов 2 и 3 для меди весом 1/2 унции:
|
Особенность
|
Диаметр сверла и накладки IPC Class 2 для меди 1/2 унции
|
Диаметр сверла и накладки IPC Class 3 для меди 1/2 унции
|
|
Минимальный размер сверла
|
0.25 мм (в 0.010)
|
0.25 мм (в 0.010)
|
|
Максимальный диаметр колодки (внешний)
|
Размер сверла + 0.10 мм (0.004 дюйма)
|
Размер сверла + 0.152 мм (0.006 дюйма)
|
|
Максимальный диаметр колодки (внутренний)
|
Размер сверла + 0.10 мм (0.004 дюйма)
|
Размер сверла + 0.102 мм (0.004 дюйма)
|
Диэлектрический материал между проводящими слоями печатной платы (ПП) играет решающую роль в ее общей производительности. Он влияет на электрические характеристики, такие как целостность сигнала, а также на физические свойства, такие как рассеивание тепла и устойчивость к термическим напряжениям.
Спецификации для диэлектрика разделены на классы IPC 2 и 3, причем платы класса 3 имеют более строгие требования. Эти классы различаются по ключевым диэлектрическим показателям, таким как:
● Минимальная толщина
● Диэлектрическая проницаемость
● Тангенс угла потерь
● Тепловое расширение
● Температура стеклования
● Температура разложения
● Впитывание влаги.
Например, для плат класса 3 требуется толщина диэлектрика не менее 50 мкм по сравнению с 38 мкм для класса 2. Их диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь также должны быть ниже, а такие характеристики, как температура стеклования и разложения, устанавливаются выше.
Требования к металлизации отверстий печатных плат
Металлизация сквозных отверстий играет важную роль в печатных платах. Она представляет собой тонкий слой меди, нанесенный в просверленные отверстия, для обеспечения электрической связи между различными слоями.
Классы IPC 2 и 3 устанавливают требования к толщине, покрытию и дефектам, чтобы гарантировать, что сквозное металлизирование выполняется хорошо. Платы класса 3 имеют более высокие требования к сквозному металлизированию, чем класс 2, поскольку они требуют более высокой проводимости и долговечности.
Например, в то время как Класс 2 допускает минимальную толщину покрытия 20 микрон, Класс 3 увеличивает ее до 25 микрон. Другие факторы, такие как процент покрытия, также более жесткие для Класса 3. Это помогает платам Класса 3 поддерживать производительность и служить дольше, уменьшая проблемы с течением времени из-за трещин, пустот или разделения в покрытии сквозных отверстий.
Класс 2 против класса 3: различия в сборке печатных плат
Сборка печатной платы — это процесс присоединения электронных компонентов к печатной плате (ПП) с использованием методов пайки. В зависимости от предполагаемого использования и надежности ПП могут применяться различные стандарты и спецификации. Вот некоторые различия между ПП класса 2 и класса 3 относительно сборки ПП.
Surface Mount
Технология поверхностного монтажа напрямую крепит компоненты к поверхности печатных плат без сквозных отверстий. Это позволяет использовать более мелкие, компактные компоненты и более плотную сборку платы при меньших затратах, чем сквозные отверстия. Однако для надежных электрических соединений необходимы точное размещение и пайка.
IPC классифицирует компоненты поверхностного монтажа на компоненты с малым шагом (расстояние между выводами ≤ 0.8 мм, но > 0.5 мм), с очень малым шагом (≤ 0.5 мм, но > 0.3 мм) и с ультрамалым шагом (≤ 0.3 мм). Эти требования различаются в зависимости от класса.
Класс 2 допускает больший выступ вывода/высоту галтели для мелкого/очень мелкого шага, тогда как класс 3 определяет минимальные значения, такие как высота вывода 75% или высота галтели 0.25 мм.
Класс 2 также допускает минимальную ширину паяного соединения в 50% ширины контактной площадки или 0.15 мм для сверхмалого шага, тогда как класс 3 допускает 75% ширины контактной площадки или минимум 0.25 мм.
Объем заполнения бочки
Заполнение ствола измеряет, сколько припоя заполняет отверстия компонентов с металлизированными отверстиями (PTH), прикрепленных к печатной плате (PCB). Компоненты PTH имеют выводы, вставленные в медные отверстия для создания электрических соединений. Количество заполнения ствола влияет на механическую прочность и проводимость паяного соединения.
IPC определяет критерии заполнения ствола в зависимости от класса печатной платы и типа компонента PTH. Для односторонних компонентов печатные платы класса 2 требуют заполнения ствола минимум на 50%, тогда как для класса 3 необходимо 75%.
Двусторонние компоненты на печатных платах класса 2 требуют минимального заполнения ствола 75%, а платы класса 3 требуют 100% заполнения. Глухие или скрытые переходные отверстия, которые соединяют внутренние слои, но не видны на поверхности, должны иметь не менее 50% заполнения для класса 2 и 75% для класса 3. Правильное заполнение ствола важно для надежности.
Заключение
Тщательный выбор оптимального класса IPC имеет решающее значение при проектировании печатных плат. Следование рекомендациям, изложенным в этом руководстве, позволит вам выбрать требования к классу, соответствующие вашим конкретным целям проектирования, размерам компонентов и производственным процессам. Независимо от того, переходите ли вы на более высокий или более низкий класс IPC, учет таких факторов, как ширина дорожки, размер переходного отверстия, интервал и размер сверла, имеет решающее значение для удовлетворения требований надежности и технологичности.
Для услуг по производству печатных плат под ключ, которые завершают процесс от проектирования до сборки, свяжитесь с PCBasic. Как ведущий производитель печатных плат и печатных плат, мы обладаем опытом, который поможет оценить соответствие вашей платы классу IPC и изготовить высококачественные прототипы и производственные партии. Наши процедуры контроля качества гарантируют строгое соблюдение всех стандартов IPC. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы обсудить партнерство с нами в вашем следующем проекте.
