schede di carico ATE (automated test equipment) nelIntervallo di 12–20 stratirappresentano uno dei problemi più difficili di controllo dell’imbarcamento nell’assemblaggio PCBA. Spessi stack di rame asimmetrici combinati con laminati che operano vicino alla loro temperatura di transizione vetrosa (Tg) durante il riflusso creano una combinazione che il fissaggio standard spesso non riesce a risolvere completamente da solo. Questo articolo tratta l’origine dell’imbarcamento, come il fissaggio lo limita durante il riflusso, come le scelte di stack-up lo riducono nella fase di progettazione e in quale punto del processo misurarlo.
Perché le schede ATE ad alto numero di strati si deformano durante il riflusso
Due meccanismi dominano la deformazione in questa classe di schede.
Distribuzione irregolare del rame lungo l'intero stack.Le load board ATE in genere combinano strati di instradamento denso (interfaccia DUT a passo fine, piani di massa) con strati di segnale o di alimentazione più radi. Quando il peso del rame e la densità del pattern differiscono in modo significativo da uno strato all’altro, specialmente rispetto all’asse neutro della scheda, gli strati si espandono e si contraggono a velocità diverse mentre la scheda attraversa il profilo di rifusione. Su una scheda spessa da 12 a 20 strati, tale disallineamento si traduce direttamente in curvatura e torsione, poiché c’è più massa di laminato che può muoversi in modo non uniforme e una maggiore distanza tra gli strati esterni su cui l’asimmetria può agire.
La Tg del laminato si avvicina alla temperatura massima di rifusione.L’FR-4 standard con Tg nell’intervallo 130–150°C è già ben al di sotto del tipico picco di rifusione lead-free di 235–250°C, quindi la resina supera completamente la sua transizione vetrosa per una parte significativa del profilo. Al di sopra della Tg, il CTE sull’asse z aumenta bruscamente (regola pratica comunemente citata nel settore: diverse volte il valore al di sotto della Tg) e la resistenza della scheda alla flessione diminuisce di conseguenza. Ciò è più importante nelle schede con un elevato numero di strati perché:
• Più livelli significano più accumuloDisallineamento del CTE tra rame e resina
• Un tempo più lungo al di sopra del liquidus durante il riflusso (spesso necessario per bagnare completamente schede spesse) estende l’intervallo in cui il laminato si trova in questo stato conforme
• Un'area della scheda più ampia (comune sulle load board ATE per adattarsi alle impronte delle test head) aumenta il braccio di leva su cui può agire qualsiasi sollecitazione asimmetrica
Materiali con Tg più elevato (170 °C o superiore) riducono ma non eliminano questo effetto. Alzano la soglia; non rimuovono la fisica di base.
Vincolo del supporto in pietra sintetica durante il riflusso
I supporti in pietra sintetica (granito composito ingegnerizzato) vengono utilizzati perché il coefficiente di dilatazione termica quasi nullo del materiale e la sua elevata massa termica gli consentono di agire come un piano di riferimento stabile durante il profilo di rifusione, invece di flettersi insieme al circuito stampato come può accadere con un supporto metallico.
La logica ingegneristica alla base di questo approccio di solito è la seguente:
•Supporto a pannello intero, non bloccaggio sui bordi.Una tavola sostenuta solo ai bordi è libera di incurvarsi al centro, proprio dove la deformazione tende a essere peggiore. Il contatto a pieno pannello con la superficie del fissaggio risolve direttamente questo problema.
•Spazio libero per fori passanti e caratteristiche dei connettori.Le load board ATE portano comunemente zoccoli a pogo pin, connettori press-fit o componenti a foro passante sul lato inferiore. Un attrezzaggio che ignora questi elementi e forza la scheda ad appiattirsi sopra una sporgenza non fa che rilocare le sollecitazioni invece di eliminarle, quindi il ricavo per questi elementi è un aspetto progettuale da considerare per qualsiasi attrezzaggio a pannello completo.
•Massa termica abbinata al profilo.Poiché il CTE della pietra sintetica è trascurabile rispetto a quello del laminato PCB, essa non si espande né rimane fuori fase rispetto alla scheda durante il ciclo, il che aiuta a mantenere il vincolo dalla fase di ramp-up fino al picco e durante il raffreddamento, la fase in cui altrimenti la deformazione tende a “stabilizzarsi” quando la resina ripassa attraverso la Tg nella fase discendente.
Il punto esatto in cui il riflusso assistito da maschere diventa necessario dipende dallo specifico stack-up, dalla distribuzione del rame e dalle dimensioni del pannello coinvolti, e dovrebbe essere valutato caso per caso piuttosto che in base a una regola fissa sul numero di strati o sullo spessore.
Si tratta di un vincolo a livello di processo applicato durante il ciclo termico, che opera insieme, e non in sostituzione, alle decisioni di stack-up riportate di seguito. Il fissaggio gestisce il sintomo durante l’assemblaggio; la progettazione dello stack-up gestisce la causa principale nella fase di progettazione.
Progettazione dello Stack-Up: Strategia di Bilanciamento del Rame
La soluzione più duratura alla deformazione si ottiene prima che il circuito venga realizzato. Il bilanciamento del rame consiste nel distribuire il peso e la copertura del rame in modo simmetrico rispetto all’asse centrale meccanico della scheda: rispecchiando gli strati densi con altri strati densi e quelli radi con altri radi, invece di lasciare un nucleo pesante di massa/alimentazione sbilanciato rispetto a strati di segnale più leggeri su un lato.
Pratiche comuni da verificare negli stack-up delle load board ATE:
•Abbinamento tra peso del rame e densità delle coppie di strati.Confrontare la copertura dell’area di rame tra coppie di strati simmetrici (ad es. strato 2 vs. strato N-1) e mantenere ridotto il delta diminuisce l’espansione differenziale che provoca la flessione.
•Rame fittizio/furto su strati radi.Quando uno strato di instradamento è naturalmente povero di rame (ad esempio uno strato di segnale a bassa densità), l’aggiunta di rame di riempimento non funzionale porta la sua massa termica più vicina a quella della sua controparte simmetrica senza influenzarne la funzione elettrica.
•Simmetria di posizionamento del core rispetto al prepreg.Poiché i core e i pre-preg si comportano in modo diverso sotto carico termico, rispecchiarne il posizionamento attorno alla linea centrale (non solo quello del rame) evita di reintrodurre asimmetrie a livello del sistema di resina anche quando il rame risulta bilanciato.
•Evitare un singolo pesante strato di piano fuori centro.Un piano di massa o di alimentazione spesso e ad alta copertura, posizionato in modo asimmetrico nello stack, è una causa comune di deformazione sulle schede ATE che richiedono piani ad alta capacità di corrente per l’erogazione di potenza al DUT. Suddividere quel rame su una coppia di strati speculari è in genere preferibile rispetto a concentrarlo in uno solo.
Niente di tutto ciò elimina da solo il rischio di imbarcamento per una scheda da 16–20 strati. Riduce l’entità di ciò che il supporto di rifusione deve poi mantenere in piano.
Punti di controllo di misurazione: AOI 3D dopo il posizionamento vs. dopo il riflusso
La deformazione deve essere verificata in due punti distinti del processo, perché le due misurazioni rilevano modalità di guasto diverse.
AOI 3D post-posizionamento (prima del riflusso).In questa fase, il 3D AOI verifica principalmente l’accuratezza del posizionamento e la coplanarità della pasta/dei componenti su una scheda che si trova ancora a temperatura ambiente e senza sollecitazioni termiche. Qualsiasi imbarcamento misurato in questo punto è essenzialmente una curvatura “come fabbricata”: un riferimento che riflette le tensioni di laminazione a livello di pannello, non qualcosa introdotto dal riflusso.
AOI 3D post-refusione.Questo rileva la deformazione dopo che la scheda ha raggiunto la temperatura di picco ed è tornata a temperatura ambiente: il valore che conta per le fasi successive comeContatto del dispositivo ICTl'inserimento del connettore o l'accoppiamento della testata di prova. Confrontarlo con la linea di base post-posizionamento isola quanto ulteriore imbarcamento sia stato introdotto dal solo ciclo di rifusione.
Il confronto tra i due checkpoint è il dato utile. Una scheda che risulta piatta prima del reflow ma mostra una deviazione significativa dopo il reflow indica il profilo di reflow o il fissaggio come causa; una scheda che è già fuori specifica prima del reflow rimanda invece alla fabbricazione del pannello o allo stack-up. Considerare l’AOI post-reflow come unico checkpoint fa perdere quel segnale diagnostico.
Elenco di controllo per la progettazione e il processo per il controllo dell’imbarcamento delle load board ATE
• Conferma il numero di strati, lo spessore e la distribuzione del rame rispetto a una struttura impilata simmetrica con CTE bilanciato di riferimentoprima del blocco del layout
• Specificare il Tg del laminato con un margine rispetto al picco effettivo del profilo di rifusione, non solo rispetto ai valori minimi IPC
• Contrassegnare qualsiasi singolo strato di piano pesante per la suddivisione o la duplicazione durante la revisione dello stack-up
• Pianificare un fissaggio a supporto dell’intero pannello (non solo sui bordi) per le schede con elevato numero di strati e grande spessore, nei casi in cui la rigidità intrinseca da sola non sia affidabile
• Conferma che le tasche di scarico dell’attrezzatura siano mappate alle posizioni dei connettori sul lato inferiore/fori passanti prima della fabbricazione dell’attrezzatura
• Acquisire i dati di deformazione AOI 3D sia al checkpoint post-posizionamento che a quello post-reflow, non solo dopo il reflow
• Confrontare i due checkpoint AOI per separare la deformazione dovuta alla fase di fabbricazione da quella indotta dal reflow
Ottenere la planarità corretta sulla tua prossima load board ATE
Le schede di carico ATE con un elevato numero di strati non si deformano per un solo motivo. Di solito è una combinazione di asimmetria dello stack-up, scelta del laminato e modalità con cui la scheda viene vincolata durante il reflow. Se hai un progetto di scheda di carico ATE nel range di 12–20 strati e desideri un contributo ingegneristico prima del congelamento del layout, invia le specifiche della tua scheda per una valutazione del progetto e il nostro team potrà esaminare lo stack-up, i requisiti di fissaggio e i punti di controllo dell’ispezione in relazione al tuo design.
Risorse utili
●Riferimento per l’accettazione del tasso di vuoti BGA: criteri di classe IPC-7095D e IPC-A-610
●Guida di ispezione visiva IPC-A-610 Classe 3 per assemblaggi industriali e medicali
●Capacità di impilamento degli strati
●Controllo DFM gratuito del PCB e checklist per l’assemblaggio PCB
