Una guida alla alta affidabilità dei PCB: dalla progettazione alla specifica

di Jeff Beauchamp

NCAB Group

Nella nostra realtà quotidiana, interagiamo costantemente con i prodotti elettronici che contengono al loro interno un circuito stampato (PCB). Il PCB è considerato un elemento chiave in quanto funge da interconnettore fra tutti i vari componenti necessari per un funzionamento affidabile del sistema elettronico.

Non sorprende quindi che l’affidabilità dei circuiti stampati sia un fattore critico fin dall’inizio del processo di produzione. Se un PCB presenta un problema di affidabilità, il prodotto finale stesso è a rischio. L’importante è risolvere il problema a monte, ossia cercando di migliorare l’affidabilità una volta che il prodotto è stato progettato per evitare che il proprietario del prodotto sia gravato di costi estremamente elevati in fase di produzione. In alcuni casi, come per le attrezzature medicali o i veicoli a motore, i fattori di rischio potrebbero essere molto gravi e causare perfino le morte.

La creazione di PCB affidabili si basa sul fatto che occorre prendere in considerazione, il prima possibile, tutti gli aspetti che possono influire sull’affidabilità durante il processo di progettazione. Maggiori sono i tempi di progettazione e più costoso e rischioso diventerà risolvere gli eventuali problemi. Siccome il design dei circuiti stampati viene adattato a una funzione e un’applicazione specifica risulta difficile riuscire fare un confronto fra un circuito stampato e gli altri componenti. Come componente personalizzato, il ruolo del PCB è fondamentale. Un buon design della scheda migliora l’affidabilità del prodotto finale e riduce il rischio di malfunzionamento. Inoltre, grazie ai continui progressi della tecnologia, le soluzioni di progettazione diventano sempre più strutturate, il che richiede una pianificazione più completa in termini sia di progettazione che di produzione. Ne consegue, naturalmente, che quanto più elaborata è la funzione del PCB, tanto più complessa sarà la sua realizzazione e produzione.

Funzionalità importanti

L’elenco sotto riportato mette in evidenzia le 14 caratteristiche più significative per la progettazione e la produzione di un PCB affidabile visto da NCAB Group. Si noti che alcune di queste funzioni non sono incluse negli standard IPC, ma NCAB ritiene che questi particolari vincoli rappresentino delle criticità. Gli standard IPC sono linee guida per il settore, ma non sono sempre completi in termini di produzione affinché la scheda risulti il più possibile robusta. Per i circuiti stampati ad alta affidabilità e/o ad alta tecnologia le linee guida, in genere, devono superare gli standard IPC al fine di aumentarne le prestazioni e la durata.

  1. Placcatura dei fori da 25-Micron nominali come da classe IPC 3
  2. Nessuna riparazione sulla pista di saldatura o sui circuiti aperti.
  3. Requisiti di pulizia oltre a quelli previsti dall’IPC.
  4. Rigido controllo sull’invecchiamento delle finiture specifiche
  5. Tipi di materiali di base utilizzati noti a livello internazionale, ovvero non autorizzazione all’uso di marchi locali o sconosciuti.
  6. La tolleranza per il laminato con metallizzazione in rame è IPC-4101 Classe B/L
  7. Maschera di saldatura definita in grado di garantire la conformità all’IPC-SM-840 classe T
  8. Tolleranze definite per profilo, fori e altre funzioni meccaniche
  9. Spessore specifico della maschera di saldatura (IPC non lo richiede)
  10. Requisiti estetici e di riparazione definiti (IPC non lo richiede)
  11. Requisiti più stringenti del via fill (IPC richiede il 60%, ma noi ne richiediamo almeno il 70%)
  12. Peters SD2955 pelabile come standard
  13. Specifico processo di validazione e autorizzazione per ogni ordine fornitore
  14. Nessun X-out accettato

Allo stesso tempo, le schede dovrebbero essere progettate così da poter essere realizzate in modo sicuro dal maggior numero possibile di aziende. Investire in una visione anticipata del trend dei mercati significa offrire al prodotto tempi di consegna complessivi migliori, pur mantenendone la qualità.

L’applicazione di tecnologie sempre più all’avanguardia richieste dai produttori di componenti spesso servono solo ad aumentare il livello di concorrenza. Ad esempio, sarebbe buona pratica evitare le vie di fuga BGA che utilizzano sei o sette diversi strati di fori ciechi o interrati al fine ridurli a una scheda multistrato standard. La riduzione degli strati permette di eliminare tutte le lavorazioni di foratura e metallizzazione extra, diminuendo significativamente i costi e migliorando al contempo la fattibilità del prodotto. Mantenendo le opzioni di produzione il più aperte possibile attraverso la progettazione intelligente, si potrà operare più facilmente da un impianto di produzione all’altro; inoltre, con questo sistema, si ridurrebbero i rischi complessivi della catena di approvvigionamento del progetto. Se un’azienda, ad esempio, fosse sottoperformante o impegnata nella risoluzione di un problema tecnico, la produzione potrebbe spostarsi più facilmente in un altro stabilimento. Pertanto la progettazione dei PCB più ad alto rischio verrebbe in tal modo limitata ai singoli processi di un’unica realtà produttiva.

Dati e documentazione

C’è molto di più dell’affidabilità del semplice processo produttivo o di una scrupolosa attività di progettazione. Essere affidabili significa operare attraverso una forma mentis in grado di pianificare l’intero processo produttivo che va dalla progettazione alla consegna della merce. Pertanto, è fondamentale che informazioni complete e concise, note di compilazione e istruzioni vengano comunicate al fornitore di PCB e che l’azienda partner metta come priorità assoluta la qualità. Per tale ragione, sarebbe auspicabile che il vostro partner avesse un atteggiamento senza soluzione di continuità in grado di sviluppare il progetto, realizzare i prototipi fino ad arrivare alla produzione, senza sacrificare la qualità o l’affidabilità. Il team di progettazione svolge un ruolo centrale in questo processo di affidabilità attraverso la creazione di un pacchetto di produzione completo e dettagliato.

La specifica del prodotto inizia nel momento in cui viene approntato il preventivo ed è continuamente aggiornata attraverso un dialogo con il cliente fino all’avvio della produzione. La nostra esperienza in NCAB mostra che circa il 30% di tutti i nuovi articoli che ci sono stati forniti arrivano con dati mancanti o contengono informazioni ambigue o contrastanti nella descrizione della nota di compilazione; ciò fa sì che vengano sollevate domande relative al settore della progettazione (EQs), che richiedono tempo per essere chiarite e possono facilmente influenzare le date di consegna.

Di seguito sono riportati alcuni esempi di informazioni mancanti, ambigue o confliggenti fra di loro:

  • Informazioni sulla struttura/dati/disegni
  • Fori metallizzati o non metallizzati non specificati
  • Finitura di superficie non specificata
  • Spessore del rame non specificato
  • Materiale da utilizzare non specificato
  • Colore della stampa della maschera di saldatura/legenda non specificato
  • Spessore non specificato della scheda finita
  • File Gerber o di perforazione mancanti
  • Lo spessore della scheda non corrisponde alla specifica della nota di compilazione
  • Legenda inclusa nella documentazione che non deve essere stampata
  • Le quote sul disegno non corrispondono al contorno di profilo Gerber 
  • Il numero di fori nel disegno di perforazione non corrisponde al numero di fori indicati nel file di perforazione fornito
  • Le dimensioni dei fori nel disegno di perforazione non corrispondono alle dimensioni nel file di perforazione
  • Lo spessore del rame nella specifica non è conforme all’ IPC
  • I requisiti di impedenza specificati non possono essere raggiunti in base alla nota di compilazione
  • La Netlist allegata contiene guasti da corto circuito o da circuito aperto rispetto ai file Gerber

Avvertenze

Quindi, come può un team di progettazione evitare le insidie che possono sorgere al momento del trasferimento dei dati? Di seguito troverete cinque avvertenze di fondamentale importanza per la preparazione del trasferimento di un progetto alla fase di produzione.

1. Inclusione dei dati originali

Una buona strategia potrebbe essere quella di includere i file di lavoro. Fornire entrambe le serie di dati assicura che il vostro progetto sia conforme con quello che si dovrebbe avere già ricevuto, riducendo in tal modo il numero di EQ. In caso si tratti di una prima nota di compilazione i dati utensile risultano efficaci se sono consegnati insieme ai file originali, in quanto servono a fornire il layout di pannellizzazione desiderata, assicurando in tal modo che il fornitore produca il pannello corretto.

2. Inclusione dello Stackup

Un altro fattore che aumenterà notevolmente la probabilità di una compilazione corretta include lo stackup (precedente o desiderato). Non specificare l’impilamento potrebbe produrre un risultato finale diverso a seconda delle preferenze del produttore e delle scelte dei materiali, influenzando l’impedenza progettata e provocando altri problemi riguardanti le prestazioni.

3. Inclusione di eventuali precedenti EQs

Supponendo che l’ordine si stato sottoposto in precedenza a un processo di pre-produzione, è utile includere la documentazione su eventuali precedenti EQ. Queste domande alle quali è stata già fornita una risposta contribuiranno a ridurre la ripetizione degli stessi quesiti. Alcuni esempi comuni di elementi che potrebbero attivare un EQ includono:

  • Tracce non terminate
  • Corti circuiti (intenzionale o accidentali)
  • Informazioni confliggenti nella documentazione di produzione

Se si tratta di una prima compilazione, è normale ricevere degli EQ. Un fornitore scrupoloso certamente sarà interessato a porvi domande ben circostanziate e dettagliate prima di iniziare a realizzare un qualsiasi tipo di prodotto. In caso non pervengano quesiti, dovrebbero sorgere dei dubi in merito a quel fornitore che forse non opera secondo le procedure prestabilite e autorizzazioni necessarie.

4. Come creare dati di produzione che fanno riferimento alle specifiche IPC

Operare in conformità agli standard IPC crea una chiara aspettativa da parte del vostro fornitore, occorre però non scendere troppo nei particolari. Esempi di specifiche di riferimento includono:

  • Materiali per IPC-4101
  • Accettabilità per IPC-600
  • Produttore IPC-6012 Classe X
  • Finitura per superfici conforme a IPC-4552, IPC-4553, IPC-4554, ecc.

Scendere troppo nei particolari quando si comunica al fornitore ciò che è richiesto nella progettazione può potenzialmente essere la causa di costi involontari. Apparentemente potrebbe sembrare una buona pratica specificare un materiale di un certo brand per garantire un controllo adeguato. All’inizio questa procedura può risultare contraddittoria, ma a meno che il design non richieda tassativamente un solo materiale specifico, è consigliabile indicare uno standard IPC e avvalersi di alcuni di marchi approvati. Con un certo margine di discrezionalità, l’azienda sarà libera di scegliere il materiale con cui ha maggiore esperienza e che reputi più adatto al suo tipo di lavorazione . Forzare una realtà imprenditoriale a compiere una scelta obbligata potrebbe generare problemi e introdurrebbe un ulteriore rischio di resa sull’affidabilità delle processi produttivi , rispetto all’utilizzo di un materiale con cui l’azienda è abituata a lavorare.

5. Il peso del rame

NCAB consiglia di specificare il rame in base alla tabella IPC, ossia in conformità agli standard IPC-6012 e IPC-600. L’IPC non definisce il rame in termini di once per piede quadrato, ma in base allo spessore finito in millimetri e micron. Un esempio comune che vediamo spesso è una richiesta di rame di 2 once sugli strati esterni. La maggior parte dei produttori realizzerà questo obiettivo con 1 oncia di rame di base e metallizzazione di classe 2 per uno spessore finito (dopo la lavorazione) di 47,9 µm (1.886 pollici). Ciò può influire sull’affidabilità in caso il PCB sia stato progettato con un’aspettativa di rame pari a 70-µm (2,80 pollici) sugli strati esterni.

Conclusioni

Generalmente, è importante che i fornitori di circuiti stampati facciano quotazioni tenendo sempre ben presente sia gli standard che l’affidabilità del prodotto e non solo il prezzo. Pertanto, produrre la documentazione ed osservare tutti gli standard menzionati in precedenza, contribuirà a garantire l’affidabilità della resa senza incorrere in inutili costi. I livelli di qualità IPC sono una linea guida essenziale con cui lavorare, ma occorre in ogni caso valutare sempre quale sia l’operatività finale della scheda e di conseguenza adottare i requisiti di progettazione e costruzione per rendere poi possibili la produzione.

Ci sono molti fattori da considerare quando si passa dalla progettazione di una scheda e poi la si trasferisce al fornitore incaricato di realizzare un PCB affidabile. A tale proposito occorre essere preparati a rispondere alle eventuali domande al fine di essere certi che il circuito funzioni come richiesto. Inoltre è di fondamentale rilevanza saper selezionare un fornitore in grado di valorizzare la qualità e che si assuma la piena responsabilità della produzione e quindi sia disposto a collaborare come partner aziendale al fine di ottenere un PCB sicuro e affidabile.

Jeff Beauchamp è un field applications engineer presso NCAB Group.

Redazione Fare Elettronica