IPC-222x - Podstawowe standardy w projektowaniu elektroniki

Wprowadzenie

Projektowanie elektroniki nie jest łatwym zadaniem. Opracowanie koncepcji produktu, dobór komponentów, dobór technologii montażu, projekt PCB (layout) oraz wiele innych analiz i badań to tylko część tego procesu. Produkt powinien nie tylko spełniać wymagania funkcjonalne, prawne, estetyczne i cenowe - musi też być możliwy do wytworzenia i niezawodny. W tym miejscu wchodzimy w zagadnienia takie jak: DFM, DFA oraz DFR. Warto pamiętać, że to tylko część dużo większego zagadnienia jakim jest Design for Excellence (DFX).

W tym kontekście - projektując urządzenia elektroniczne, warto zapoznać się z grupą podstawowych standardów IPC związanych z projektowaniem PCB, czyli z IPC-2220 (seria) - określaną także jako IPC-222x, gdzie "x" oznacza kolejny numer: 1, 2, 3 itd. Te standardy pozwalają z wyprzedzeniem uwzględnić wiele wymagań dotyczących produkcji, jakości i niezawodności. Dzięki temu zmniejszamy ryzyko poprawek, a więc skracamy czas wdrożenia nowego wyrobu.

Warto także pamiętać, że aktualność standardów IPC można sprawdzić na stronie IPC Document Revision Table.[1]

No to lecimy z tym tematem...

IPC-2221

IPC-2221 Generic Standard on Printed Board Design to główny dokument w serii IPC-2220, opisujący ogólne zasady projektowania płytek drukowanych niezależnie od technologii. Standard zawiera m.in. wymagania dla minimalnych odstępów między ścieżkami, dobór szerokości ścieżek w zależności od prądu i wzrostu temperatury, reguły projektowania pól lutowniczych, przelotek oraz różne rodzaje kuponów dla kontroli jakości PCB.[2]

Ten dokument to fundament (podstawa) a pozostałe standardy z tej serii traktujemy jako uzupełnienia specyficzne dla danej technologii PCB.

IPC-2222

IPC-2222 Sectional Design Standard for Rigid Organic Printed Boards dotyczy specyficznych wymagań dla płytek sztywnych. Dokument ten zawiera zalecenia dotyczące doboru materiałów (np. temperatury szklenia Tg, doboru prepregu, grubości dielektryków), a także prowadzenia ścieżek, przelotek, tolerancji grubości laminatu i innych aspektów związanych z produkowalnością (DFX).

W swoim zakresie (pkt. 1 dokumentu) IPC-2222 podaje, że celem jest wsparcie projektantów w doprowadzeniu projektu do "działania za pierwszym razem", czyli już przy pierwszej iteracji projektu.[3]

IPC-2223

IPC-2223 Sectional Design Standard for Flexible/Rigid-Flexible Printed Boards. Ten standard określa specyficzne wymagania dotyczące płytek elastycznych (flex) i sztywno-elastycznych (rigid-flex).

Dokument omawia kwestie doboru materiałów oraz ich właściwości mechanicznych i fizycznych (np. zastosowanie usztywniaczy, ograniczenia projektowe związane z cyklami zginania i montażu, wpływ wilgoci), parametry elektryczne (np. kontrolę impedancji), zalecenia dotyczące aspektów termicznych, montowalności, geometrii otworów i połączeń międzywarstwowych, prowadzenia przewodników, a także zagadnienia związane z dokumentacją i zapewnieniem jakości.[4]

IPC-2224

IPC-2224 Sectional Standard for Design of PWBs for PC Cards. Dokument zawierający ogólne wymagania dla płytek PCB w formie kart PC. Uwzględnia aspekty i wymagania projektowe dotyczące doboru materiałów (np. laminaty, folia miedziana, pokrycia, maska lutownicza), parametrów elektrycznych, aspektów termicznych, montażu komponentów oraz zagadnień związanych z szeroko pojętym "layoutem" kart PC.[5]

Ten standard jest już stary i nie będzie rozwijany. Ma status "Obsolete".[1]

IPC-2225

IPC-2225 Sectional Design Standard for Organic Multichip Modules (MCM-L) and MCM-L Assemblies Ten standard określa wymagania projektowe specyficzne dla modułów MCM-L, czyli struktur krzemowych oraz drobnych pasywnych komponentów elektronicznych montowanych na laminacie (ang Laminated MCM) z wykorzystaniem technologii takich jak "Wire Bonding", "Die Bonding" czy "Flip-Chip".

Podobnie jak w omówionych wcześniej standardach, dokument ten przedstawia szczegółowe zagadnienia związane z doborem materiałów, pokryć, layoutu, kontroli jakości itd.

Ciekawostka: Moduły MCM-L technicznie są bardzo zbliżone do rozwiązania "Chip On Board” (COB). Różnica dotyczy głównie zastosowania. COB to w praktyce kompletne moduły o określonym przeznaczeniu "Application Specific Electronic Assembly" (ASEA), natomiast MCM-L stanowią bardziej zaawansowane podsystemy (można powiedzieć - półprodukty), które montuje się do konkretnego urządzenia. W IPC-2225 moduły MCM-L określono mianem "Application Specific Electronic Module" (ASEM).[6]

IPC-2225 nie jest już rozwijany, ma status: "No Longer Maintained".[1]

IPC-2226

IPC-2226 Sectional Design Standard for High Density Interconnect (HDI) Printed Boards. Płytki określane jako High Density Interconnect (HDI) to płytki PCB o dużej gęstości połączeń, w których stosuje się mikroprzelotki (microvia), ścieżki o szerokości ≤0.1 mm, odległości między ścieżkami ≤0.1 mm itp. Standard IPC-2226 klasyfikuje konstrukcje HDI na sześć typów (Type I-VI) w zależności od budowy.[7]

Podsumowując, IPC-2226 określa wymagania dotyczące projektowania PCB HDI, obejmujące m.in. dobór materiałów, wymiarowanie i rozmieszczenie mikroprzelotek, zalecenia związane z layoutem, kwestie termiczne oraz szereg innych wytycznych.

IPC-2226 (ostatnia rewizja A, 09/2017) ma status "No Longer Maintained"; w tabeli rewizji IPC.[1]

IPC-2228

IPC-2228 Sectional Design Standard for High Frequency (RF/Microwave) Printed Boards. Standard określający specyficzne wymagania dla projektowania PCB pracujących w zakresie fal radiowych o wysokiej częstotliwości i mikrofal, gdzie ścieżki należy rozpatrywać jako linie transmisyjne a nie zwykłe (klasyczne) połączenia elektryczne.[8]

Standard IPC-2228 jest stosowany do projektowania produktów radiowych/mikrofalowych, gdzie stosowane materiały w PCB powinny spełniać wymagania IPC-4103 a sama płytka PCB powinna być wyprodukowana zgodnie z IPC-6018.

Inne standardy IPC

Oprócz serii IPC-222x, warto także brać pod uwagę inne standardy IPC związane z projektowaniem elektroniki. Poniżej kilka ciekawych propozycji:

• IPC-7351 Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Patterns
• IPC-7352 Guideline for Surface Mount Design and Land Patterns
• IPC-2141 Controlled Impedance Circuit Boards and High Speed Logic Design
• IPC-7095 Design and Assembly Process Implementation for BGAs
• IPC-7093 Design and Assembly Process Implementation for Bottom Termination Components (BTCs)

Podsumowanie

Projektowanie "z głową" to m.in. projektowanie na podstawie zaleceń IPC. Seria IPC-222x porządkuje wymagania od ogólnych zasad po szczegółowe przypadki (rigid, flex, HDI, SiP, ceramika). Połączenie tych wytycznych z praktykami DFX, zaleceniami producentów PCB a także wykorzytanie zaleceń z APQP, D-FMEA, SPC, MSA daje wymierne efekty: mniej poprawek, krótszy czas wdrożenia projektu oraz wyższą niezawodność produktu.

Projektując jakiekolwiek urządzenia (a także wdrażając je do produkcji), sugeruję wdrożyć podejście Elona Muska, które opisałem w artykule: 5 kroków w projektowaniu według Elona Muska. Polecam także analizę ryzyka D-FMEA - to naprawdę świetne narzędzie, o ile jest dobrze zastosowane.