Assemblages rigides-flexiblessont de plus en plus spécifiés pour les cartes de burn-in, les cartes de charge et le matériel d’interface ATE, où la densité de connecteurs, le routage selon l’axe Z et la conformité mécanique à la géométrie de la tête de test favorisent une interconnexion flexible plutôt qu’un câblage discret. Le compromis est une structure comportant deux zones matériellement différentes — du FR-4 rigide (ou équivalent à haute Tg) etflex en polyimide— sont assemblés puis soumis à des cycles thermiques répétés, souvent de large amplitude. Cette combinaison place le décalage de CTE au centre de la discussion sur la fiabilité pour cette catégorie de cartes.
Le mécanisme physique : pourquoi la zone de courbure cède en premier
La différence de CTE dans les circuits rigides-flexibles n’est pas un problème à valeur unique — c’est un problème directionnel et régional.
Le CTE dans le plan diffère selon la région.Le stratifié rigide FR-4 présente généralement un coefficient de dilatation thermique (CTE) plus faible et plus contraint en X/Y en raison du renforcement par fibres de verre, tandis que le polyimide flexible non renforcé possède un CTE dans le plan relativement plus élevé et moins contraint.Feuille de cuivre et couches adhésivess’asseoir entre les deux.
La zone de transition/de courbure est le concentrateur de contraintes.Pendant le burn-in ou les cycles thermiques en ATE (de l’ambiante à des consignes élevées, parfois avec des excursions vers le froid selon le profil de test), la partie rigide et la partie flexible se dilatent et se contractent à des taux différents. Comme elles sont mécaniquement continues à travers la zone de transition, la dilatation différentielle ne s’annule pas en moyenne : elle se concentre sous forme de contraintes de cisaillement et de pelage exactement à la frontière rigide‑flexible et au niveau de tous les joints de soudure ou motifs de cuivre situés à proximité.
Accumulation cyclique, et non défaillance ponctuelle.Une seule excursion thermique fracture rarement une jonction. Ce qui importe, c’est le nombre de cycles subis par l’assemblage au cours de sa qualification et de sa durée de service : chaque cycle ajoute une déformation plastique incrémentale aux joints de soudure et aux pistes en cuivre dans la zone de flexion, suivant un comportement classique de fatigue oligocyclique (accumulation de déformation de type Coffin-Manson) jusqu’à ce qu’une fissure s’amorce et se propage jusqu’à la défaillance électrique.
Le CTE selon l’axe Z (à travers l’épaisseur) aggrave le problème dans les trous métallisés.Lorsque des vias ou des trous métallisés (PTH) se trouvent près de la transition rigide-flexible, le décalage de dilatation selon l’axe Z entre le fût en cuivre et la résine environnante ajoute un second vecteur de contrainte venant s’ajouter à la contrainte de la zone de flexion dans le plan.
Pour le matériel de burn-in et d’ATE en particulier, cela est plus important que dans une application rigide-flex typique, car la carte est soumise à des cycles par conception — souvent pendant des heures par cycle, sur de nombreuses cartes, tout au long de la durée de vie opérationnelle de la cellule de test — plutôt qu’exposée à de rares variations de température sur le terrain.
Défis d’assemblage rigide-flex propres à cette application
Contrôle du gauchissement de la région flexible
Les circuits flex non supportés, en particulier dans les structures fines, sont sujets au gauchissement pendant le refusion et lors des manipulations ultérieures. Dans notre procédé, les ensembles rigides-flex sensibles au gauchissement sont supportés pendant le refusion à l’aide de gabarits en pierre synthétique, qui maintiennent la coplanarité des sections rigides et limitent le mouvement du flex sans introduire de variation localisée de masse thermique comme peuvent le faire les gabarits métalliques. Cela est particulièrement pertinent pourComposants BGA et à pas finmonté près d’une frontière rigide-flex, où même un gauchissement modéré se traduit directement, dès la première mise sous tension, par des contraintes sur les joints de soudure dues au défaut de coplanarité.
Règles de zone d’exclusion de pliage
Les joints de soudure, les vias et les éléments en cuivre ne doivent pas se trouver à l’intérieur de la zone de courbure dynamique ni de sa zone de transition immédiate. En tant queconception pour la fabricationligne de base:
Aucune pastille de soudure, patte de composant ou empreinte CMS ne doit se trouver dans le rayon de courbure, augmenté d’une marge de transition (définie en fonction de l’empilage et du poids de cuivre, et non comme une valeur universelle fixe).
Dans la zone de flexion, le cuivre doit utiliser une géométrie de piste arrondie, en forme de goutte d’eau ou autrement soulagée des contraintes, plutôt que des angles vifs ou des transitions de largeur abruptes.
Les bords des raidisseurs (lorsqu’ils sont utilisés pour rigidifier localement les zones de connecteurs ou de composants sur le circuit flexible) doivent être chanfreinés et collés avec un adhésif qui, lui-même, ne devienne pas une nouvelle concentration de contraintes à son bord de terminaison.
Les transitions d’épaisseur de cuivre à la frontière rigide-flexible doivent être progressives lorsque l’empilage le permet, plutôt qu’un changement brutal.
Il s’agit de pratiques de conception rigide-flex standard alignées sur l’IPC-2223, et non de règles propriétaires, mais ce sont celles qui sont le plus souvent enfreintes dans les premiers routages de cartes ATE/Burn-In dérivés de conceptions rigides uniquement.
Sélection d’alliage de brasage pour la résistance à la fatigue thermique
Le choix de l’alliage au niveau des joints BGA et à pas fin dans ou à proximité de la zone affectée par la flexion a un effet mesurable sur la durée de vie en cyclage thermique. Les études publiées de cyclage thermique accéléré comparant les alliages courants sans plomb constituent un point de référence utile (données d’essais publiées dans le milieu universitaire et industriel, et non chiffres internes) :
SAC305(Sn-3,0Ag-0,5Cu):Des études comparatives d’ATC sur les joints BGA ont montré que l’alliage SAC305 est plus susceptible de résister plus longtemps au chargement par cycles thermiques que le SAC105, qui accumule la déformation de fluage à un rythme plus rapide. Le SAC305 reste un choix de référence courant lorsque la résistance à la fatigue thermique est priorisée par rapport au coût ou à la facilité de retouche.
SAC105 (Sn-1,0Ag-0,5Cu) :L’ensemble des travaux publiés montre que le SAC105 présente généralement une durée de vie en fatigue thermique accélérée inférieure à celle des alliages à plus forte teneur en argent sous cyclage, bien qu’il puisse offrir des avantages en résistance aux chocs mécaniques et aux chutes — un compromis qui compte davantage pour les produits portables que pour le matériel ATE fixe. Les chercheurs qui ont étudié le SAC105 ne l’ont généralement pas écarté pour toutes les applications, notant qu’il peut encore satisfaire aux exigences de fiabilité sur le terrain dans des cas d’utilisation moins agressifs sur le plan thermique.
Systèmes hybrides SnBi et SAC-SnBi :Des études comparatives publiées sur des assemblages BGA en Sn-Bi, hybrides Sn-Bi/SAC et SAC ont montré que les assemblages homogènes en SnBi eutectique peuvent présenter la meilleure fiabilité en cyclage thermique parmi les systèmes d’alliage testés, tandis que les joints mixtes/hybrides SAC-SnBi (billes SAC refondues avec une pâte SnBi) ont affiché une durée de vie en fatigue comparativement plus courte dans ce même ensemble de travaux — une distinction importante, puisque « utiliser le SnBi » et « utiliser un joint hybride SAC/SnBi » ne sont pas équivalents du point de vue de la fatigue.
La conclusion pratique pour les cartes de rodage (Burn-In) / ATE : la sélection de l’alliage au niveau des joints adjacents aux zones de flexion doit être adaptée au profil thermique réel et au nombre de cycles auxquels la carte sera soumise en service, et non choisie par défaut à partir d’unrecette de procédé SMT polyvalent.
Inspection en boucle fermée : gestion des angles morts des circuits rigides-flexibles
La géométrie rigide-flex crée des défis d’inspection qu’un circuit rigide et plat n’a pas — des discontinuités de hauteur au niveau de la marche rigide-flex, un éventuel basculement de la zone flexible sur la platine d’inspection, et des effets d’ombre au niveau des bords des raidisseurs.
SPI 3Dest utilisé avant le refusionnage pour vérifier le volume de pâte et l’alignement des dépôts au niveau des jonctions proches de la transition rigide-flex, où la libération de pâte peut être irrégulière en raison des variations locales de l’écart entre le pochoir et la carte au niveau de la marche.
AOI 3Dexécute une boucle fermée à partir des données SPI, effectue des contrôles après le placement et après le refusion de la position des composants, de la coplanarité et de la géométrie du congé de brasure, en prêtant une attention particulière aux composants adjacents à la zone de pliage où se concentrent les défauts dus au gauchissement.
Rayons X hors ligneavec capacité d’angle obliquetraite les zones que la radiographie 2D en vue de dessus ne peut pas bien résoudre — les vides dans les BGA et QFN sous les corps de boîtier situés près d’une marche rigide-flex, où la géométrie peut autrement masquer les motifs de vides dans une vue verticale directe.
MES intelligentavec traçabilité UID et marquage laserrelie les résultats d’inspection de chaque carte, y compris les enregistrements de vides aux rayons X pour les boîtiers BGA/QFN, à une identité de carte unique — ce qui est pertinent pour les clients ATE/Burn-In qui doivent corréler l’historique de fabrication et d’inspection d’une carte spécifique avec des défaillances sur le terrain ou lors des qualifications ultérieures.
JESD22-A104 et jugement de défaillance
La norme JESD22-A104 est la norme JEDEC la plus couramment citée pour la qualification par cyclage en température des semi-conducteurs et des assemblages au niveau carte. Elle définit les profils de cyclage (extrêmes de température, vitesse de rampe, temps de maintien) et fournit le cadre dans lequel les données de cycles jusqu’à la défaillance sont générées et rapportées. Pour les cartes rigides-flex pour Burn-In/ATE, la surveillance de la continuité électrique pendant le cyclage (plutôt qu’un simple contrôle en fin d’essai) est la méthode la plus sensible pour détecter les ouvertures intermittentes au niveau des joints de la zone de flexion avant qu’elles ne deviennent des défaillances franches — un seuil d’augmentation de résistance, et pas seulement une condition d’ouverture complète, constitue le critère de défaillance le plus conservateur, en cohérence avec la manière dont une grande partie des données comparatives SAC/SnBi publiées et citées ci-dessus définit la notion même de « défaillance ».
Cinq règles DFM pour les cartes rigides-flexibles ATE / de rodage
Maintenez toutes les soudures, les vias et les empreintes de composants en dehors du rayon de courbure plus la marge de transition définis pour l’empilage spécifique.
Spécifiez la géométrie du cuivre dans la zone de pliage avec des caractéristiques à contraintes réduites (arrondies/en forme de goutte), en évitant les transitions brusques de largeur de piste ou d’épaisseur de cuivre au niveau de la frontière rigide-flex.
Faites correspondre le choix de l’alliage de brasage pour les joints adjacents aux zones de flexion au profil réel de cyclage thermique et au nombre de cycles attendu, plutôt qu’à un alliage polyvalent par défaut.
Soutenir les zones flexibles pendant le refusionnement à l’aide de dispositifs conçus pour contrôler la coplanarité, et valider la planéité après refusion avant de procéder à l’inspection.
Établissez une couverture d’inspection — SPI 3D, AOI 3D en boucle fermée et rayons X à angle oblique — autour des angles morts géométriques spécifiques créés par la marche rigide-flex, et pas seulement via les routines d’inspection standard pour cartes planes.
Si vous mettez en service un circuit imprimé rigide-flex pour une application de Burn-In ou d’ATE et que vous souhaitez un second avis sur la conception de la zone de flexion, le choix de l’alliage ou la couverture d’inspection avant son envoi en fabrication,L'équipe d'ingénierie de PCBCartpeut examiner votre empilage et votre fichier DFM dans le cadre du devis de projet.
Ressources utiles
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