Normes IPC et ESD pour la manutention, le stockage et la dépanélisation des PCB

Quelles normes régissent le stockage, le déplacement et la séparation d'une carte

Presque toutes les discussions sur les normes en assemblage électronique portent sur le brasage. J-STD-001 traite de la façon dont le joint est réalisé, IPC-A-610 de l'acceptabilité de l'assemblage fini, et à elles deux elles absorbent l'essentiel du budget de formation.

Les normes qui régissent ce qui se passe avant et après le brasage reçoivent bien moins d'attention, et c'est de là que vient une part surprenante du rebut. Une carte correctement manipulée à chaque opération de brasage peut quand même tomber en défaut parce qu'elle a séjourné dans le mauvais contenant, absorbé une humidité que personne n'a mesurée, encaissé une décharge que personne n'a consignée, ou été cassée hors de son panneau d'une façon qui a fissuré un joint à deux centimètres de la ligne de rupture.

Cette page couvre les normes qui s'appliquent à la manutention, au stockage et à la dépanélisation, ce que chacune demande réellement, et ce que cela signifie quand vous spécifiez du matériel.

Que signifient les classes IPC 1, 2 et 3 ?

Presque toutes les normes d'acceptation IPC sont écrites en trois classes. La classe n'est pas un niveau de qualité que l'on choisit par envie. Elle est fixée par la fonction de l'assemblage et par ce qui arrive s'il cesse de fonctionner.

• Classe 1, produits électroniques généraux. L'exigence est qu'il fonctionne. Un défaut esthétique n'est pas un motif de rejet. Biens de consommation, éclairage LED, électronique de gadget.
• Classe 2, produits électroniques de service dédié. Performance continue et durée de vie prolongée sont exigées, le service ininterrompu est souhaité mais pas critique. Informatique, télécoms, la plupart des commandes industrielles.
• Classe 3, produits électroniques haute performance. La performance continue ou à la demande est critique, l'arrêt n'est pas tolérable, et l'environnement d'utilisation est souvent sévère. Aéronautique, médical implantable et de survie, militaire, systèmes automobiles de sécurité.

IPC-1601 : la norme qui traite vraiment des racks de stockage

IPC-1601, Printed Board Handling and Storage Guidelines, est le document qui traite directement de ce dans quoi vous conservez vos cartes nues et assemblées. C'est la norme la moins citée dans la plupart des ateliers et la plus pertinente pour l'achat d'un rack. Elle couvre quatre risques :

• Contamination. Les cartes récupèrent des résidus des surfaces, des gants et des contenants eux-mêmes. Les matériaux qui dégazent ou relarguent des particules posent problème, surtout avant vernissage, où la contamination se manifeste plus tard par un défaut d'adhérence.
• Dommage physique. Rayures, chocs, dommages aux pastilles et aux bords lorsque les cartes se touchent entre elles ou touchent le contenant. La recommandation est de soutenir les cartes de manière qu'elles ne se touchent pas, ce que fait un rack magazine à fentes et ce que ne fait pas un plateau empilable.
• Absorption d'humidité. Le stratifié nu et les cartes assemblées absorbent l'humidité ambiante, ce qui renvoie directement à J-STD-020 et J-STD-033 ci-dessous.
• Décharge électrostatique. La manutention et le stockage dans une EPA doivent empêcher les cartes d'accumuler puis de libérer une charge.

La lecture pratique pour un rack : des cartes tenues à pas fixe, sans contact entre elles, dans un matériau qui ne relargue pas et ne dégaze pas, qui maîtrise la charge, et qui se suit comme un contenant unique tout au long du procédé.

ANSI/ESD S20.20 face à ANSI/ESD S541 : programme contre matériau

Les fournisseurs citent ces deux normes comme si elles étaient interchangeables. Elles ne le sont pas.

ANSI/ESD S20.20 est une norme de programme. Elle définit les exigences d'un programme de maîtrise ESD sur un site : l'EPA, la mise à la terre, la formation du personnel, la vérification et l'audit. Son équivalent international est la CEI 61340-5-1. C'est un site qui est certifié S20.20. Un rack ne peut pas être certifié S20.20, et tout fournisseur qui vous annonce un produit « certifié S20.20 » est soit dans la confusion, soit il espère que vous y êtes.

ANSI/ESD S541 est la norme des matériaux d'emballage. Elle classe les matériaux d'emballage et de manutention utilisés dans une EPA selon leur résistance de surface :

Un rack est un matériau présent dans votre EPA : c'est donc S541 qui s'y applique. Votre programme est certifié S20.20 ; le rack doit être un matériau que ce programme peut défendre en audit.

Plus conducteur n'est pas automatiquement meilleur. Un matériau très conducteur décharge vite une carte chargée, et une décharge rapide à travers un composant sensible est précisément l'événement à éviter. Pour la manutention de cartes, la zone utile va environ de 10⁴ à 10⁶ Ω : la charge part, mais progressivement.

Ce qu'il faut exiger d'un fournisseur

La valeur mesurée, pas la formule « ESD safe ». Résistance point à point, résistance à la terre, temps de décharge, et la température et l'humidité de l'essai. Un essai sans conditions n'est comparable à rien.

J-STD-020 et J-STD-033 : l'humidité, et pourquoi la température d'un rack est une décision de procédé

IPC/JEDEC J-STD-020 classe le niveau de sensibilité à l'humidité, MSL 1 à 6, des composants montés en surface. Le MSL fixe la durée de vie à l'air libre : combien de temps un composant peut rester hors de son sachet barrière avant d'être utilisé ou étuvé.

IPC/JEDEC J-STD-033 est la norme de manutention, d'emballage, d'expédition et d'utilisation de ces composants, et ce sont ses tableaux d'étuvage qui servent réellement en atelier. Pour la plupart des assemblages peuplés, la fenêtre pratique va de 90 °C à 125 °C pendant 24 à 72 heures, selon l'épaisseur du boîtier, la taille du corps et le MSL.

Voici le point qui touche au matériel. Un rack magazine ESD standard est prévu pour 80 °C. Un four qui exécute un étuvage J-STD-033 à 125 °C dépasse largement cette valeur : les cartes doivent donc sortir du rack, aller dans un plateau d'étuvage, puis revenir dans un rack.

Ce transfert coûte deux manipulations supplémentaires par lot, deux expositions ESD de plus, un risque de dommage physique à chaque contact, et un trou de traçabilité où le lot se trouve dans un contenant sous lequel il n'a pas été enregistré. Rien de cela n'apparaît sur un bon de commande, et tout cela apparaît dans le rendement.

Un rack prévu pour 200 °C supprime le transfert : les cartes entrent dans le rack à la réception et le quittent au chargeur, et l'étuvage se fait cartes en place. Prévu pour 200 °C et utilisé à 125 °C, le rack travaille avec de la marge plutôt qu'à sa limite 72 heures d'affilée.

Au-dessus, la construction tout aluminium 300 °C vise le chargement direct en refusion sans plomb, la polymérisation aéronautique et les essais de contrainte thermique, pas l'étuvage MSD. Si votre seul procédé haute température est un étuvage J-STD-033, 200 °C est la bonne spécification et 300 °C une capacité que vous n'utiliserez pas.

IPC-A-610 et IPC-6012 : ce qui compte comme dommage de dépanélisation

IPC-A-610, Acceptability of Electronic Assemblies, est la norme d'acceptation, et elle contient les critères qui décident si une carte séparée passe. Les catégories que pilote la dépanélisation sont l'état du bord, y compris bavures, épaufrures et rugosité à la rupture ; l'état du stratifié, y compris délamination, measling et fissuration près de la séparation ; et les dommages aux composants et aux joints brasés près de la ligne de rupture.

IPC-6012, Qualification and Performance Specification for Rigid Printed Boards, régit la carte elle-même, y compris l'intégrité du bord et du stratifié.

Tout cela se resserre avec la classe. Un dommage de bord qui passe en classe 1 échoue en classe 3, et les assemblages de classe 3 sont précisément ceux où une microfissure sous un BGA devient une défaillance sur le terrain des années plus tard.

IPC/JEDEC-9704 : la déformation de carte, le chiffre qui décide de votre méthode de dépanélisation

IPC/JEDEC-9704, Printed Circuit Assembly Strain Gage Test Guideline, est la norme qui transforme le « manipulez avec soin » en mesure. Elle définit comment instrumenter un assemblage avec des jauges de déformation et mesurer la déformation, en microdéformation, qu'un procédé impose à la carte.

Elle existe parce que les défaillances qui comptent sont invisibles. Une déformation excessive fissure les condensateurs céramiques, rompt les joints brasés de BGA et amorce des arrachements de pastille qu'aucun contrôle visuel ne détecte. La carte quitte votre atelier en passant les tests et tombe en panne sur le terrain.

La dépanélisation est l'une des opérations les plus contraignantes que subit un assemblage, et la méthode détermine l'ampleur :

• Rupture manuelle sur rainure en V. Le panneau est plié et cassé le long de la rainure. Le moment de flexion rayonne sur plusieurs centimètres depuis la rupture, là où se produisent la microfissuration des MLCC et la rupture des joints de BGA. Déformation la plus élevée, la moins reproductible, entièrement dépendante de l'opérateur.
• Défonceuse. Faible déformation et bonne qualité de bord, au prix des poussières, d'un temps de cycle plus long, de l'outillage et d'une programmation par panneau.
• Molette pizza ou molette circulaire simple. Une lame ronde roule sur la rainure avec un effort latéral et sans lame opposée : la pression se transmet donc au cuivre.
• Cisaille en V à lames opposées. Une lame circulaire roule au-dessus d'une lame linéaire fixe : la coupe est une action de ciseaux délivrée dans la gorge en V plutôt qu'autour. L'effort reste isolé dans la gorge au lieu de rayonner dans la carte.

Où le matériel PCBRacks se place face à chaque norme

Cinq étapes pour spécifier un matériel de manutention et de dépanélisation qui tient en audit

1. Fixez d'abord votre classe. Classe 1, 2 ou 3 détermine toutes les limites d'acceptation en aval. Spécifier le matériel avant d'avoir tranché la classe revient à le respécifier plus tard.
2. Cartographiez votre parcours thermique. Notez chaque procédé traversé par la carte qui comporte une température : étuvage, polymérisation, refusion, essai de contrainte. Le plus élevé fixe la valeur de rack qu'il vous faut, avec de la marge, pas à la limite.
3. Exigez des données ESD mesurées, pas des adjectifs. Résistance de surface en valeur, dans la masse ou topique, temps de décharge, et conditions d'essai. Cinq questions, un e-mail, et le marché se trie aussitôt.
4. Mesurez la déformation avant de choisir une méthode de séparation. IPC/JEDEC-9704 vous donne la procédure. Si l'instrumentation n'est pas praticable, choisissez au minimum une méthode dont la physique garde l'effort dans la gorge au lieu de plier le panneau.
5. Ramenez le nombre de contenants à un. Chaque transfert est une manipulation, une exposition ESD et un trou de traçabilité. Un matériel qui laisse une carte entrer dans un contenant à la réception et le quitter au chargeur est l'amélioration de procédé la moins chère qui soit.

Où cela se manifeste, par secteur

• Aéronautique et défense travaillent en classe 3 avec traçabilité complète, et portent généralement les exigences de haute température et de rack tout aluminium à travers leurs cycles de polymérisation et d'essai de contrainte.
• Dispositifs médicaux travaillent en classe 3 avec des exigences documentaires qui rendent décisif, en audit, le principe d'un contenant, un identifiant.
• Automobile, en particulier ADAS et systèmes de sécurité, travaille en classe 3 ou en classe 2 resserrée et reste le secteur le plus sensible à la déformation de dépanélisation, du fait du nombre élevé de composants céramiques.
• Télécoms et industrie travaillent en classe 2, où les gains portent sur la cadence et les dommages de manutention plutôt que sur les limites d'acceptation.
• Sous-traitants électroniques portent toutes les classes à la fois, ce qui plaide pour standardiser sur un matériel spécifié à la plus exigeante.