Задача соотнесения конструктивных требований к печатным платам с технологическими возможностями производств – одна из важнейших задач института стандартизации. Как известно, отечественные стандарты на печатные платы не менялись с середины 1980-х годов, что де-факто привело к массовому использованию в нашей стране стандартов IPC. В российских и международных стандартах используются несколько различные понятия, критерии и нормы оценки печатных плат, уровней их сложности и качества. Разобраться в отдельных аспектах этой проблемы призвана предлагаемая статья. Отметим, что приведенные в ней сведения отражают частное мнение автора, сложившееся при работе с конкретными отечественными и зарубежными производствами, и может не отражать ситуации в отрасли в целом.
Основные элементы конструкции печатных плат и их наименьшие номинальные размеры (для узкого места), в зависимости от классов точности, приведены в ГОСТ 23751-86 (табл.1, рис.1). Современные возможности производств ПП, прежде всего зарубежных, существенно превосходят параметры, приведенные в ГОСТ 23751-86 (табл.2). Поэтому очень важно понимать, какие нормативные документы следует использовать и на какие конструктивные параметры ПП обращать особое внимание при разработке проекта ПП с учетом технологических возможностей того или иного производства.
Гарантийный поясок
Согласно ГОСТ 20406-75 (Платы печатные. Термины и определения), гарантийный поясок – это минимально допустимая ширина контактной площадки отверстия печатной платы в узком месте. Иначе говоря, под гарантийным пояском следует понимать не номинальную ширину пояска металлизации в файле трассировки печатной платы, а минимальное расстояние от края отверстия до края контактной площадки в готовой плате (рис.2). В зарубежной терминологии поясок металлизации называется Annular Ring (буквально – кольцевой ободок). Согласно международному стандарту качества изготовления плат IPC-A-600, минимальный поясок металлизации для внешних и внутренних слоев рассчитывается по-разному. На внешних слоях минимальный поясок определяется минимальным расстоянием (в самом узком месте) между краем контактной площадки и краем отверстия после металлизации (рис.3а). В отличие от внешних слоев, минимальный поясок на внутренних слоях определяется минимальным расстоянием (в самом узком месте) между краем контактной площадки и краем отверстия до металлизации (без учета металлизации отверстия) (рис.3б).
Как видно из рис.2 и 3, в определении величины пояска металлизации отверстий есть небольшое различие между ГОСТ 20406-75 и IPC-A-600, но оно касается только внешних слоев.
Согласно ГОСТ 23751-86, на принадлежность платы конкретному классу точности влияет не номинальный поясок металлизации в проекте платы, а некий "гарантийный поясок", который появляется в готовой плате и характеризует не столько исходную сложность платы, сколько возможности конкретного производства. В ГОСТ 23751-86 вообще нет такого понятия, как "номинальный поясок металлизированного отверстия" (поясок металлизации в проекте печатной платы) – именно его было бы правильно использовать для определения соответствия платы конкретному классу точности. Применение же абстрактного понятия "гарантийный поясок" создает большие трудности в понимании того, какого именно размера должна быть контактная площадка в проекте печатной платы.
Практические рекомендации по данному вопросу дает другой документ – РД 50-708-91 (Требования к конструированию печатных плат). В нем приведены сведения по выбору минимальных размеров контактных площадок металлизированных и неметаллизированных отверстий в зависимости от диаметра отверстия и класса точности печатной платы. Из этих рекомендаций следует удивительный вывод – класс точности (сложность платы) зависит также и от размеров платы. Для плат одного класса точности, при наличии минимальных отверстий одного и того же диаметра, с увеличением размера платы необходимо использовать большие размеры контактных площадок. Дело в том, что с увеличением размеров платы уменьшается точность совмещения центров отверстий и центров контактных площадок. Согласно ГОСТ 23751-86, с увеличением размеров платы разрешается больший допуск позиционного расположения осей отверстий и центров контактных площадок. Для компенсации увеличения погрешности сверловки требуется увеличение размеров контактных площадок.
Различается три интервала размеров печатных плат, для которых нормируется значение позиционного допуска – до 180 мм по большей стороне платы, от 180 до 360 мм и свыше 360 мм (табл.3).
На зарубежных производствах, где приемка плат осуществляется в соответствии со стандартом IPC-A-600, различают три класса годности плат в зависимости от области применения плат и требований к их надежности (чем выше класс, тем надежнее плата). Чем жестче требования к надежности платы, тем более крупные нормы проектирования должны использоваться. В стандарте IPC-A-600 явно не указаны размеры контактных площадок, которые следует использовать при проектировании, там лишь приведены наиболее критичные условия приемки плат. В частности, для приемки по 3 классу необходимо, чтобы номинальный поясок металлизации был не менее 0,15 мм, а гарантийный поясок в готовой плате – не менее 0,05 мм. Очевидно, что очень сложные платы практически невозможно изготовить по классу приемки 3, поэтому большинство плат изготавливается по классу приемки 2.
Влияние аспектного соотношения γ на класс точности платы
Cложность ПП возрастает с уменьшением диаметров отверстий и с увеличением толщины платы, поскольку становится труднее обеспечивать качественную металлизацию внутри отверстия. ГОСТ 23751-86 в зависимости от классов точности ограничивает минимальное соотношение наименьшего из металлизированных отверстий к толщине печатной платы (аспектное соотношение, см. табл.1). Это соотношение можно наглядно представить на основе реальных значений диаметров отверстий и реальной толщины платы (табл.4).
В соответствии с табл.4, любая плата стандартной толщины (1,5–1,6 мм) с отверстием менее 0,3 мм будет считаться более сложной, чем это предусматривает ГОСТ 23751-86. Однако технологические возможности современных производств с 1986 года существенно возросли, и реальные значения аспектного соотношения достигают значений 1/8, 1/10, 1/12 и менее (рис.4). Влияние коэффициента γ на принадлежность платы к определенному классу точности значительно снизилось. Поэтому посмотрим на минимально допустимые диаметры отверстий, исходя из реальных возможностей производства (табл.5).
Минимальный коэффициент γ у большинства зарубежных производств обычно составляет не хуже 1/10–1/12, а для большинства отечественных – не лучше 1/10. Поэтому, с точки зрения минимизации стоимости плат, не следует без необходимости превышать эти предельные значения.
Рекомендации
Фактическая сложность каждой конкретной платы определяется наибольшей сложностью любого из ее элементов. Например, ПП с проводниками/зазорами, соответствующими 3 классу точности, но с очень маленьким диаметром отверстия или его пояском металлизации будет принадлежать к более высокому классу точности. С другой стороны, нет смысла стремиться делать большие отверстия в плате с малым шагом проводников – все элементы должны быть согласованы.
Много проблем возникает с размерами контактных площадок металлизированных отверстий. Ведь проводники и зазоры формируются посредством травления, точность этой технологии составляет до ±0,02–0,015 мм при ширине проводников 0,1–0,075 мм. При сверловке погрешность позиционирования составляет ±0,075–0,08 мм, погрешность диаметра отверстия – также ±0,075–0,08 мм, что значительно больше погрешности травления. С увеличением диаметров отверстий абсолютная погрешность возрастает, поэтому пояски металлизации для больших отверстий следует делать больше.
В многослойных платах существует погрешность совмещения слоев. Чем больше слоев в плате, тем больше должен быть поясок металлизации. Наличие слепых (глухих) и погребенных (скрытых) отверстий требует нескольких поэтапных прессовок платы, что дополнительно увеличивает погрешность совмещения слоев. Поэтому для плат со слепыми и погребенными отверстиями площадки сквозных металлизированных отверстий (и соответственно пояски металлизации) должны быть сравнительно больше, чем допустимо для простых плат. Рекомендуется делать поясок металлизации не менее 0,127 мм (5 mil) для МПП только со сквозными отверстиями и не менее 0,15 мм для плат со слепыми/погребенными отверстиями.
Гарантийный поясок
Согласно ГОСТ 20406-75 (Платы печатные. Термины и определения), гарантийный поясок – это минимально допустимая ширина контактной площадки отверстия печатной платы в узком месте. Иначе говоря, под гарантийным пояском следует понимать не номинальную ширину пояска металлизации в файле трассировки печатной платы, а минимальное расстояние от края отверстия до края контактной площадки в готовой плате (рис.2). В зарубежной терминологии поясок металлизации называется Annular Ring (буквально – кольцевой ободок). Согласно международному стандарту качества изготовления плат IPC-A-600, минимальный поясок металлизации для внешних и внутренних слоев рассчитывается по-разному. На внешних слоях минимальный поясок определяется минимальным расстоянием (в самом узком месте) между краем контактной площадки и краем отверстия после металлизации (рис.3а). В отличие от внешних слоев, минимальный поясок на внутренних слоях определяется минимальным расстоянием (в самом узком месте) между краем контактной площадки и краем отверстия до металлизации (без учета металлизации отверстия) (рис.3б).
Как видно из рис.2 и 3, в определении величины пояска металлизации отверстий есть небольшое различие между ГОСТ 20406-75 и IPC-A-600, но оно касается только внешних слоев.
Согласно ГОСТ 23751-86, на принадлежность платы конкретному классу точности влияет не номинальный поясок металлизации в проекте платы, а некий "гарантийный поясок", который появляется в готовой плате и характеризует не столько исходную сложность платы, сколько возможности конкретного производства. В ГОСТ 23751-86 вообще нет такого понятия, как "номинальный поясок металлизированного отверстия" (поясок металлизации в проекте печатной платы) – именно его было бы правильно использовать для определения соответствия платы конкретному классу точности. Применение же абстрактного понятия "гарантийный поясок" создает большие трудности в понимании того, какого именно размера должна быть контактная площадка в проекте печатной платы.
Практические рекомендации по данному вопросу дает другой документ – РД 50-708-91 (Требования к конструированию печатных плат). В нем приведены сведения по выбору минимальных размеров контактных площадок металлизированных и неметаллизированных отверстий в зависимости от диаметра отверстия и класса точности печатной платы. Из этих рекомендаций следует удивительный вывод – класс точности (сложность платы) зависит также и от размеров платы. Для плат одного класса точности, при наличии минимальных отверстий одного и того же диаметра, с увеличением размера платы необходимо использовать большие размеры контактных площадок. Дело в том, что с увеличением размеров платы уменьшается точность совмещения центров отверстий и центров контактных площадок. Согласно ГОСТ 23751-86, с увеличением размеров платы разрешается больший допуск позиционного расположения осей отверстий и центров контактных площадок. Для компенсации увеличения погрешности сверловки требуется увеличение размеров контактных площадок.
Различается три интервала размеров печатных плат, для которых нормируется значение позиционного допуска – до 180 мм по большей стороне платы, от 180 до 360 мм и свыше 360 мм (табл.3).
На зарубежных производствах, где приемка плат осуществляется в соответствии со стандартом IPC-A-600, различают три класса годности плат в зависимости от области применения плат и требований к их надежности (чем выше класс, тем надежнее плата). Чем жестче требования к надежности платы, тем более крупные нормы проектирования должны использоваться. В стандарте IPC-A-600 явно не указаны размеры контактных площадок, которые следует использовать при проектировании, там лишь приведены наиболее критичные условия приемки плат. В частности, для приемки по 3 классу необходимо, чтобы номинальный поясок металлизации был не менее 0,15 мм, а гарантийный поясок в готовой плате – не менее 0,05 мм. Очевидно, что очень сложные платы практически невозможно изготовить по классу приемки 3, поэтому большинство плат изготавливается по классу приемки 2.
Влияние аспектного соотношения γ на класс точности платы
Cложность ПП возрастает с уменьшением диаметров отверстий и с увеличением толщины платы, поскольку становится труднее обеспечивать качественную металлизацию внутри отверстия. ГОСТ 23751-86 в зависимости от классов точности ограничивает минимальное соотношение наименьшего из металлизированных отверстий к толщине печатной платы (аспектное соотношение, см. табл.1). Это соотношение можно наглядно представить на основе реальных значений диаметров отверстий и реальной толщины платы (табл.4).
В соответствии с табл.4, любая плата стандартной толщины (1,5–1,6 мм) с отверстием менее 0,3 мм будет считаться более сложной, чем это предусматривает ГОСТ 23751-86. Однако технологические возможности современных производств с 1986 года существенно возросли, и реальные значения аспектного соотношения достигают значений 1/8, 1/10, 1/12 и менее (рис.4). Влияние коэффициента γ на принадлежность платы к определенному классу точности значительно снизилось. Поэтому посмотрим на минимально допустимые диаметры отверстий, исходя из реальных возможностей производства (табл.5).
Минимальный коэффициент γ у большинства зарубежных производств обычно составляет не хуже 1/10–1/12, а для большинства отечественных – не лучше 1/10. Поэтому, с точки зрения минимизации стоимости плат, не следует без необходимости превышать эти предельные значения.
Рекомендации
Фактическая сложность каждой конкретной платы определяется наибольшей сложностью любого из ее элементов. Например, ПП с проводниками/зазорами, соответствующими 3 классу точности, но с очень маленьким диаметром отверстия или его пояском металлизации будет принадлежать к более высокому классу точности. С другой стороны, нет смысла стремиться делать большие отверстия в плате с малым шагом проводников – все элементы должны быть согласованы.
Много проблем возникает с размерами контактных площадок металлизированных отверстий. Ведь проводники и зазоры формируются посредством травления, точность этой технологии составляет до ±0,02–0,015 мм при ширине проводников 0,1–0,075 мм. При сверловке погрешность позиционирования составляет ±0,075–0,08 мм, погрешность диаметра отверстия – также ±0,075–0,08 мм, что значительно больше погрешности травления. С увеличением диаметров отверстий абсолютная погрешность возрастает, поэтому пояски металлизации для больших отверстий следует делать больше.
В многослойных платах существует погрешность совмещения слоев. Чем больше слоев в плате, тем больше должен быть поясок металлизации. Наличие слепых (глухих) и погребенных (скрытых) отверстий требует нескольких поэтапных прессовок платы, что дополнительно увеличивает погрешность совмещения слоев. Поэтому для плат со слепыми и погребенными отверстиями площадки сквозных металлизированных отверстий (и соответственно пояски металлизации) должны быть сравнительно больше, чем допустимо для простых плат. Рекомендуется делать поясок металлизации не менее 0,127 мм (5 mil) для МПП только со сквозными отверстиями и не менее 0,15 мм для плат со слепыми/погребенными отверстиями.
Отзывы читателей
