Montagem de PCB e normas IPC

No domínio do fabrico de produtos electrónicos, as normas IPC fornecem especificações científicas para todas as fases, desde a conceção até à produção, desempenhando um papel decisivo no desempenho e na fiabilidade de placa de circuito impresso (PCB) produtos finais de montagem.

O que são as normas IPC?

As normas IPC (anteriormente conhecidas como normas da Associação de Circuitos Impressos, agora abreviadas como normas da Associação das Indústrias Electrónicas) são amplamente reconhecidas como o sistema de referência de qualidade na indústria de fabrico de produtos electrónicos, abrangendo todo o processo, desde a conceção de PCB, seleção de matérias-primas, processos de montagem e inspeção final. Este sistema de normas, desenvolvido em conjunto por especialistas globais da indústria, passou por décadas de desenvolvimento e aperfeiçoamento e tornou-se uma ferramenta indispensável para garantir a fiabilidade e a consistência dos produtos electrónicos.

O papel das normas IPC

1. Fornecem aos engenheiros de conceção especificações científicas de conceção para garantir que Esquemas de PCB cumprem os requisitos de desempenho elétrico e são facilmente fabricáveis.
2. Fornecem aos fabricantes critérios objectivos para os parâmetros do processo e a aceitação da qualidade.
3. They establish a unified “technical language” for all links in the supply chain, greatly improving communication efficiency.

Embora as normas IPC em si não sejam juridicamente vinculativas, a conformidade com níveis específicos das normas IPC torna-se frequentemente um requisito obrigatório nos contratos relativos a sectores de produtos electrónicos de elevada fiabilidade, como o aeroespacial, os dispositivos médicos e a eletrónica automóvel.
À medida que os dispositivos electrónicos continuam a evoluir no sentido da miniaturização e de uma maior densidade, e que novos processos como a soldadura sem chumbo se generalizam, as normas IPC estão também a ser continuamente actualizadas.

Normas essenciais do IPC para montagem de PCB

IPC-A-610

Sendo a norma IPC mais reconhecida no campo da montagem eletrónica, a IPC-A-610 fornece critérios visuais detalhados para a aceitação da qualidade de montagens electrónicas. A versão mais recente, IPC-A-610J (lançada em 2024), define critérios de aceitação para vários aspectos, desde a qualidade da junta de soldadura e a colocação de componentes até à montagem mecânica. A sua caraterística mais notável é a classificação dos conjuntos electrónicos em três níveis de fiabilidade com base em diferentes cenários de aplicação do produto:

• Classe 1 - Eletrónica de consumo geral
• Aplicável a produtos electrónicos do quotidiano com baixos requisitos de tempo de vida e ambientes de utilização benignos, como brinquedos e electrodomésticos comuns. São permitidos pequenos defeitos cosméticos que não afectem a funcionalidade, tais como um brilho inconsistente da junta de soldadura ou um ligeiro desalinhamento dos componentes.
• Classe 2 - Serviço dedicado de eletrónica
• Aplicável a equipamentos industriais e comerciais que exigem uma vida útil mais longa e uma maior fiabilidade, tais como dispositivos de comunicação e sistemas de controlo industrial. É necessário um controlo de processo mais rigoroso do que o da classe 1, com uma tolerância significativamente reduzida para defeitos.
• Classe 3 - Eletrónica de alto desempenho
• Aplicável a equipamentos críticos que têm de funcionar continuamente sem falhas, tais como sistemas médicos de suporte de vida, eletrónica aeroespacial e sistemas de segurança automóvel. São aplicados os critérios de aceitação mais rigorosos, com quase nenhuma tolerância para defeitos de processo.

Em aplicações práticas, a IPC-A-610 especifica as caraterísticas e os limites aceitáveis de vários defeitos do processo, enquanto as normas do processo de soldadura IPC-J-STD-001 definem os tipos e os critérios de aceitação de vários defeitos de soldadura.A norma IPC-A-610 é normalmente utilizada em conjunto com as normas de processo de soldadura IPC-J-STD-001 para garantir um controlo de qualidade abrangente ao longo de todo o processo, desde a implementação até à inspeção final.

IPC-2221

A norma IPC-2221 é um documento fundamental no domínio da conceção de placas de circuito impresso.Estabelece os princípios básicos e as especificações para a conceção de placas de circuitos impressos, garantindo a capacidade de fabrico, a fiabilidade e a otimização do desempenho durante a fase de conceção.

O conteúdo principal desta norma inclui:

• Especificações de conceção eléctrica
• Requisitos de largura/espaçamento da linha, métodos de controlo da impedância e cálculos da capacidade de transporte de corrente para diferentes cenários de aplicação para garantir a integridade do sinal.

• Requisitos da estrutura mecânica
• Abrange elementos mecânicos como a conceção do anel de orifício, as tolerâncias de alinhamento entre camadas e o tratamento dos bordos da placa para evitar ligações não fiáveis da camada interna devido a erros de fabrico.

• Diretrizes de gestão térmica
• Fornece recomendações de conceção para a disposição de orifícios de dissipação de calor, cálculos de resistência térmica e melhoria da dissipação de calor local para PCB de alta densidade de potência.

• Princípios de seleção de materiais
• Orienta os projectistas na seleção de materiais de substrato adequados, tipos de folhas de cobre e processos de tratamento de superfícies com base em diferentes requisitos de desempenho elétrico, adaptabilidade ambiental e custos.

Uma caraterística proeminente do IPC-2221 é a sua estrutura modular, que serve como norma geral e, juntamente com uma série de sub-normas para tipos específicos de PCB (tais como placas rígidas IPC-2222, placas flexíveis IPC-2223, etc.), forma um sistema completo de normas de conceção.

IPC-J-STD-001

A IPC-J-STD-001 é a norma de processo de soldadura mais autorizada na indústria de fabrico de produtos electrónicos. A J-STD-001 estabelece requisitos abrangentes para materiais de soldadura, parâmetros de processo e controlo de qualidade.

O conteúdo técnico principal inclui:

• Especificações do material
• Especificar a composição das ligas de solda (por exemplo, SAC305), tipos de fluxo e requisitos de desempenho da pasta de solda, definir tolerâncias de composição e limites de impureza para garantir uma soldadura fiável.
• Requisitos do processo
• Fornecer diretrizes de parâmetros para a soldadura manual, a soldadura por onda, a soldadura por refluxo, etc. Por exemplo, na soldadura por refluxo, controlar as zonas de temperatura e o tempo acima da linha liquidus (TAL) para evitar a soldadura a frio ou danos térmicos.
• Critérios de aceitação
• Classificar e aceitar produtos com base em indicadores-chave como o ângulo de molhabilidade da solda e a morfologia da junta, categorizados por grau de produto (Níveis 1/2/3).
• Sistema de formação e certificação
• Implementar procedimentos rigorosos de certificação CIS (operador) e CIT (formador), assegurando a aplicação correta das normas através de avaliações teóricas e práticas para aumentar a consistência do processo.

Na produção real, o controlo do processo de soldadura em conformidade com a norma J-STD-001 pode reduzir significativamente a taxa de defeitos. O cumprimento rigoroso desta norma pode reduzir a taxa de defeitos de soldadura numa média de mais de 40%.

IPC-7351

Com tecnologia de montagem em superfície (SMT) tornando-se o principal processo em Montagem de PCBEm 2007, a importância da norma IPC-7351 tornou-se cada vez mais proeminente. Esta norma aborda especificamente a conceção de almofadas para componentes SMT, fornecendo métodos de cálculo científicos e especificações de disposição para garantir que os componentes possam ser soldados de forma fiável e com boa formação de juntas.

As principais caraterísticas técnicas da norma IPC-7351 incluem:

Sistema de cálculo de tamanho de almofada

• Com base nas dimensões dos pacotes de componentes e nas tolerâncias de fabrico, fornece fórmulas para calcular as dimensões das almofadas em diferentes níveis de densidade. A norma define três níveis de densidade:
• Nível A (Baixa Densidade): Tamanhos maiores de almofadas com janelas de processo mais amplas, adequadas para aplicações de alta fiabilidade
• Nível B (Média Densidade): Tamanho e densidade equilibrados, adequados para a maioria dos produtos comerciais
• Nível C (Alta Densidade): Tamanhos mínimos das almofadas para projectos com restrições de espaço

Biblioteca de pegadas padrão

• Abrange quase todos os tipos de pacotes SMT comuns, desde resistências 0402 a BGAs com centenas de pinos. Para cada tipo de pacote, a norma fornece rotulagem detalhada das dimensões e padrões de almofada recomendados, simplificando grandemente o trabalho de projeto.

Requisitos de juntas de soldadura tridimensionais

• Concentra-se não só nas dimensões planas bidimensionais, mas também especifica a morfologia tridimensional ideal da junta de soldadura, incluindo requisitos de calcanhar, dedo do pé e filete lateral. Isto ajuda a formar juntas de solda fiáveis com elevada resistência mecânica e boa resistência à fadiga térmica.

A utilização de desenhos de almofadas que cumpram a norma IPC-7351 pode aumentar o rendimento da primeira passagem da montagem SMT em mais de 30%, melhorando consideravelmente a eficiência e a precisão do desenho, reduzindo especialmente os defeitos típicos, como o tombstoning e o bridging.

Aplicação das normas IPC no processo de montagem de PCB

Implementação das normas IPC na fase de projeto

A incorporação das normas IPC na conceção da placa de circuito impresso inicial é o método mais económico para garantir a qualidade da montagem final. A experiência mostra que o custo de identificação e correção de problemas durante a fase de conceção é apenas 1/10 do custo durante a produção. A implementação de especificações de design baseadas em IPC-2221 e IPC-7351 deve concentrar-se nos seguintes pontos-chave:

Configuração da regra de conceção: Estabelecer conjuntos de regras de conceção compatíveis com IPC em ferramentas EDA, incluindo:

• Regras eléctricas:Largura/claridade do traço, controlo da impedância, capacidade de condução de corrente
• Regras físicas:Tamanhos das almofadas, espaçamento entre componentes, áreas de proteção dos bordos da placa
• Regras de fabrico:Tamanhos mínimos dos furos, larguras dos anéis anulares e dimensões da ponte da máscara de soldadura

Por exemplo, para laminados FR-4 com 1,6 mm de espessura, a IPC-2221 recomenda que a relação entre o diâmetro do orifício de passagem e a espessura da placa não exceda 1:3 para evitar dificuldades de revestimento.Em projectos de alta velocidade, o encaminhamento de pares diferenciais deve seguir os métodos de controlo de espaçamento recomendados pela norma para garantir a consistência da impedância.

Gestão da biblioteca de componentes: Estabelecer uma biblioteca de componentes compatíveis com a norma IPC-7351 e implementar um processo rigoroso de introdução de novos componentes:

1. Verificar a exatidão dos desenhos dimensionais dos componentes do fornecedor
2. Selecionar almofadas de nível A/B/C com base nos requisitos de fiabilidade da aplicação
3. Utilizar as fórmulas de cálculo fornecidas pelo IPC para determinar os tamanhos das almofadas
4. Realizar controlos DFM (Design for Manufacturability)

Considerações sobre a conceção térmica: Siga as diretrizes de gestão térmica IPC-2221 para o tratamento especial de componentes de alta potência:

• Prever vias de descarga térmica adequadas
• Manter os componentes de elevado calor afastados dos bordos da placa e dos dispositivos sensíveis
• Considerar as questões de correspondência do CTE (Coeficiente de Expansão Térmica)

Revisões de design: Efetuar revisões de conceção transversais a todos os departamentos em fases críticas, verificando:

• Se a colocação de componentes cumpre os requisitos do processo SMT
• Se os pontos de ensaio cumprem os requisitos do equipamento de ensaio automatizado
• Se foram registados requisitos especiais do processo (como a soldadura selectiva)

Controlo do processo de fabrico e montagem

A montagem de PCB é a fase crítica em que os projectos são transformados em produtos físicos e em que as normas IPC são aplicadas com maior intensidade. O sistema de controlo de processos baseado na IPC-J-STD-001 deve incluir:

Controlo de materiais:

• Pasta de solda: Em conformidade com a norma J-STD-005, testando regularmente a viscosidade, o teor de metal e a distribuição do tamanho das partículas
• Fluxo: Selecionar os tipos adequados com base no método de soldadura (onda/refluxo)
• Componentes: Condições de armazenamento e gestão do prazo de validade, especialmente para dispositivos sensíveis à humidade (MSD)

Otimização dos parâmetros do processo:

• Impressão de pasta de solda: Verificação da espessura do estêncil e das dimensões da abertura em relação ao IPC-7525
• Colocação:Calibração de precisão para garantir a conformidade com as normas de desempenho do equipamento IPC-9850
• Soldadura por refluxo:Validação do perfil de temperatura para satisfazer os requisitos do fabricante da solda e da norma IPC

Monitorização de processos:

• Inspeção do primeiro artigo: Inspeção dimensional completa utilizando a norma IPC-A-610
• Amostragem de processos:Controlo estatístico do processo (SPC) de parâmetros-chave como a espessura da pasta de solda e a qualidade da junta pós-refluxo
• Manutenção do equipamento:Calibração e manutenção regulares para manter a estabilidade do processo

Inspeção da qualidade e análise de defeitos

O sistema de inspeção de qualidade baseado no IPC-A-610 é a defesa final para garantir que os produtos finais cumprem os requisitos.Um plano de inspeção eficaz deve considerar:

Seleção do método de inspeção:

• Inspeção visual: Utilização de ampliação e iluminação adequadas para comparação com ilustrações padrão
• AOI (Inspeção Ótica Automatizada):Limiares de aceitação da programação baseados nas normas IPC
• Inspeção por raios X:Para juntas ocultas como BGA e QFN
• Ensaios funcionais:Verificar se o desempenho elétrico cumpre os requisitos de conceção

Classificação e tratamento de defeitos:

• Defeitos críticos: Afectam diretamente a funcionalidade ou a segurança e devem ser 100% eliminados
• Defeitos menores:Questões cosméticas que não afectam a função, avaliadas pela amostragem AQL (Nível de Qualidade Aceitável)
• Alertas de processo:Não excede os limites, mas aproxima-se dos limites da especificação, accionando os ajustes do processo

Análise da causa raiz:
No caso de defeitos recorrentes, utilize diagramas de espinha de peixe, 5Why e outras ferramentas para uma análise aprofundada, a fim de determinar se os problemas têm origem na conceção, nos materiais ou nos processos e, em seguida, tome medidas corretivas. As normas IPC fornecem critérios objectivos durante este processo, evitando disputas subjectivas.

Verificação da fiabilidade e melhoria contínua

For high-reliability products, routine inspections alone are insufficient—IPC-based reliability verification is also needed:

Teste de esforço ambiental:

• Ciclo de temperatura: Ensaios de fadiga térmica guiados pelo IPC-9701
• Ensaios de vibração:Selecionar as condições adequadas com base no ambiente de aplicação do produto
• Envelhecimento por calor húmido:Avaliação da fiabilidade a longo prazo em condições adversas

Análise de falhas:
Análise aprofundada de amostras de ensaio que falharam utilizando:

• Corte transversal: Observação da microestrutura da junta de soldadura
• SEM/EDS:Analisar a morfologia e a composição da superfície da falha
• Microscopia acústica:Deteção de delaminação e vazios

Melhoria contínua:
Estabelecer um processo de melhoria normalizado:

1. Recolher dados de produção e feedback dos clientes
2. Identificar oportunidades de melhoria
3. Desenvolver planos de melhoria
4. Verificar a eficácia
5. Normalizar e atualizar os documentos relevantes

Através desta abordagem sistemática de implementação da norma IPC, as empresas de montagem de placas de circuito impresso podem estabelecer um sistema de controlo de qualidade abrangente, desde a conceção até à entrega, fornecendo de forma consistente produtos e serviços de alta qualidade.

Capacidades de implementação de padrões profissionais da Topfast&#8217

Como profissional certificado ISO 9001 e IATF 16949 Fabricante de PCBA Topfast possui capacidades abrangentes para implementar os padrões IPC em todos os níveis:

Capacidades de equipamento e de processo:

• Linhas SMT de alta precisão (capacidade de colocação de componentes 01005)
• Sistemas de soldadura selectiva para requisitos de montagem mista
• Sistemas de inspeção completa 3D SPI e AOI
• Inspeção por raios X para juntas BGA/QFN ocultas

Sistema de controlo de qualidade:

• Planos de inspeção personalizados com base nos tipos de produtos do cliente
• Processo exaustivo do Comité de Revisão de Materiais (MRB)
• Equipamento avançado de ensaio laboratorial (incluindo análise metalográfica de secções transversais)
• Sistema completo de rastreabilidade dos dados

Histórias de sucesso:

• Dispositivos de monitorização médica: Atingiu os padrões IPC Classe 3, <0,1% de taxa de falha durante 3 anos
• Controladores industriais:A aplicação de nível misto poupou 18% dos custos, cumprindo simultaneamente os requisitos de fiabilidade
• ECUs para automóveis:Passou nas auditorias dos clientes com zero defeitos, tornando-se um fornecedor Tier 1

Através da seleção científica do nível de padrão IPC e capacidades de implementação profissional, Topfast ajuda os clientes a alcançar o equilíbrio ideal entre qualidade e custo, estabelecendo uma base sólida para o sucesso do mercado de produtos.