リジッドフレックスアセンブリは、コネクタ密度、Z軸方向の配線、およびテストヘッド形状への機械的な適合性において、個別のケーブル配線よりもフレックスインターコネクトが有利となるバーンインボード、ロードボード、およびATEインターフェースハードウェアに対して、ますます指定されるようになっている。トレードオフとして、構造は材料的に異なる2つの領域 ― 剛性のあるFR-4（または高Tg同等材）とポリイミドフレックス一体化され、その後、繰り返しの、しばしば広範囲にわたる熱サイクルにさらされます。この組み合わせにより、この種のボードの信頼性に関する議論の中心には、CTE のミスマッチが据えられることになります。
物理的メカニズム：なぜ曲げ部が最初に破損するのか
リジッドフレックスにおけるCTEの不整合は、単一の数値の問題ではなく、方向性および領域に依存する問題である。
面内の線膨張係数は領域によって異なります。硬質FR-4積層板は、ガラス繊維補強により通常X/Y方向のCTEがより低く、かつ制約された範囲に収まりますが、無補強のポリイミドフレックスは、それに比べて面内CTEが高く、制約も少ない傾向があります。銅箔および接着層間に座る。
遷移部／曲げ部は応力集中部位である。バーンインまたは ATE の熱サイクル（周囲温度から高温設定点まで、試験プロファイルによっては低温側への変動を伴うこともある）中、リジッド部とフレックス部は異なる速度で膨張および収縮します。これらは遷移ゾーン全体で機械的に連続しているため、差動膨張は平均化されず、せん断応力およびはく離応力として、まさにリジッドからフレックスへの境界部と、その近傍にあるあらゆるはんだ接合部や銅パターンに集中します。
単一の事象による故障ではなく、周期的な蓄積。単一の熱的エクスカーションによって接合部が破断することはほとんどありません。重要なのは、認定期間および使用期間を通じてアセンブリが受けるサイクル数です。各サイクルは、古典的な低サイクル疲労挙動（Coffin-Manson 型のひずみ蓄積）に従い、曲げ領域におけるはんだ接合部および銅配線に増分的な塑性ひずみを与え、やがてき裂が発生して進展し、電気的故障に至ります。
Z軸方向（板厚方向）の線膨張係数（CTE）は、スルーホールめっき部の問題をさらに悪化させます。リジッドフレックスの遷移部付近にビアやPTHが位置している場合、銅のバレルと周囲の樹脂とのZ軸方向の膨張ミスマッチにより、面内の曲げ領域応力に加えて、第2の応力ベクトルが生じます。
特にバーンインおよびATEハードウェアにおいては、基板が設計上サイクル動作する――しばしば1サイクルあたり数時間にわたり、多数の基板で、テストセルの運用寿命全体を通じて繰り返される――ため、典型的なリジッドフレックス用途よりもこの点が重要になります。これは、現場での温度変動にときどきさらされるだけの場合とは異なります。
この用途に特有のリジッドフレックス実装の課題
フレックス領域の反り制御
特に薄い構造において、支持されていないフレックスは、リフロー中およびその後の取り扱い時に反りが発生しやすい。弊社のプロセスでは、反りに敏感なリジッドフレックス組立体を、合成石製の治具を用いてリフロー中に支持している。これにより、リジッド部の共平面性を維持しつつ、金属製治具のように局所的な熱容量のばらつきを生じさせることなく、フレックス部の動きを拘束している。これは特に次のような場合に重要となる。BGAおよびファインピッチ部品リジッドフレックス境界付近に実装されており、わずかな反りであっても、初回通電時に平面度に起因するはんだ接合部のストレスへと直結する。
ベンドゾーン立ち入り禁止ルール
はんだ接合部、ビア、および銅のパターンは、動的ベンド領域やその直近の遷移ゾーン内部に配置してはなりません。製造のための設計ベースライン:
曲げ半径に加え、（スタックアップおよび銅箔厚に基づいて定義される、固定の普遍的な値ではない）トランジションマージン内には、はんだパッド、部品リード、またはSMTフットプリントを配置しないこと。
フレックスの曲げ部にある銅配線は、鋭い角や急激な幅の変化ではなく、丸みを帯びた形状、ティアドロップ形状、またはその他の応力緩和されたパターン形状を使用する必要があります。
補強材の縁部（フレックス上でコネクタやコンポーネント領域を局所的に剛性化するために使用される場合）は、面取り加工を施すとともに、その終端部のエッジで新たな応力集中源とならない接着剤を用いて接着する必要があります。
スタックアップが許す場合、リジッドフレックス境界での銅厚の変化は、急激な段差ではなく、緩やかな移行とするべきです。
これらは標準的な IPC-2223 に準拠したリジッドフレックス設計手法であり、独自の規則ではありませんが、リジッド専用設計から転用された初回の ATE／バーンインボードレイアウトで最も頻繁に違反されるものです。
熱疲労耐性のためのはんだ合金の選定
曲げ影響ゾーン内またはその近傍にある BGA および微細ピッチ接合部における合金の選択は、サーマルサイクル寿命に測定可能な影響を及ぼす。一般的な鉛フリー合金を比較した公表済みの加速サーマルサイクル試験研究は、有用な参照ポイントとなる（社内データではなく、公表された学術／業界の試験データ）。
SAC305(Sn-3.0Ag-0.5Cu)：BGA接合部に関する比較ATC研究では、SAC105がより速い速度でクリープひずみを蓄積するのに対し、SAC305合金の方が熱サイクル負荷に長時間耐えやすいことがわかっている。熱疲労耐性がコストやリワークのしやすさよりも優先される場合、SAC305は依然として一般的なベースラインの選択肢である。
SAC105（Sn-1.0Ag-0.5Cu）：同じ公開済み研究群によれば、SAC105 はサイクル試験において、高銀含有合金に比べて一般的に加速熱疲労寿命が短い一方で、機械的衝撃や落下衝撃に対しては有利となり得ることが示されている――このトレードオフは、据え置き型の ATE ハードウェアよりも、携帯型製品において重要性が高い。SAC105 を検討している研究者たちは、あらゆる用途に対して不適格と結論づけているわけではなく、熱的ストレスがそれほど厳しくない使用条件であれば、現場で要求される信頼性をなお満たし得ると指摘している。
SnBi および SAC-SnBi ハイブリッドシステム：Sn-Bi、ハイブリッドSn-Bi/SAC、およびSAC BGAアセンブリに関する既発表の比較研究によれば、試験された合金系の中では、均質な共晶SnBiアセンブリが熱サイクル信頼性において最も優れた性能を示し、一方で、同じ研究群において、混合／ハイブリッドSAC-SnBi接合部（SnBiペーストでリフローしたSACボール）は、比較的短い疲労寿命を示したことが分かっている――疲労の観点から見ると、「SnBiを使用すること」と「SAC/SnBiハイブリッド接合を使用すること」は同等ではないため、これは重要な相違点である。
バーンイン／ATEボードに関する実務的な要点としては、曲げ部近傍の接合部に用いる合金は、サービス中にボードが実際に受ける熱プロファイルおよびサイクル数に合わせて選定すべきであり、デフォルトで…から選ぶべきではない。汎用SMTプロセスレシピ。
クローズドループ検査：リジッドフレックスの死角への対応
リジッドフレックスの構造は、平坦なリジッド基板にはない検査上の課題を生み出します。具体的には、リジッドフレックスの段差部における高さの不連続性、検査ステージ上でのフレックス領域の傾きの可能性、および補強板エッジ部での影となる領域などが挙げられます。
3D SPIリフロー前に使用され、ステップダウン部での局所的なステンシルと基板間のギャップ変動によりペーストの離型が不安定になり得る、リジッドフレックス遷移付近の接合部におけるペースト量と位置合わせを検証するために用いられる。
3D AOISPIデータに対してクローズドループで運転し、実装後およびリフロー後の部品位置、共面性、はんだフィレット形状を確認し、とくに反りによる不良が集中する曲げゾーンに隣接した部品に注意を払います。
オフラインX線斜め角度機能付き2D トップダウン X 線では十分に解析できない領域――リジッドフレックス段差付近に位置するパッケージ本体下の BGA および QFN のボイド（ボイドパターン）は、直上からのビューではその形状によって隠れてしまう可能性がある――に対応します。
スマートMESUIDトレーサビリティおよびレーザーマーキング付き各ボードの検査結果（BGA/QFNパッケージに対するX線ボイド記録を含む）を、それぞれ固有のボードIDに紐づけます。これにより、特定のボードの製造および検査履歴を、後のフィールド不具合や信頼性評価での不良と相関させる必要があるATE／バーンイン顧客にとって有用です。
JESD22-A104および不良判定
JESD22-A104 は、半導体およびボードレベル実装の温度サイクル試験認定で最も一般的に参照される JEDEC 規格であり、サイクルプロファイル（温度範囲、ランプレート、滞留時間）を定義するとともに、サイクル・トゥ・フェイルデータが生成・報告される枠組みを提供している。リジッドフレックス Burn-In／ATE ボードにおいては、（試験終了時の検査だけでなく）サイクル中の電気的導通監視の方が、曲げ部接合部における断続的なオープンをハード故障になる前に検出するうえで、より感度の高い手法である――完全なオープン状態だけでなく抵抗値の上昇閾値を故障判定基準とすることが、より保守的な故障基準であり、これは上述の公表されている SAC／SnBi 比較データの多くが、そもそも「故障」をどのように定義しているかと整合している。
リジッドフレックスATE／バーンインボードのための5つのDFMルール
特定のスタックアップで定義された曲げ半径とトランジションマージンを合わせた範囲の外側に、すべてのはんだ接合部、ビア、および部品フットプリントを配置してください。
ベンドゾーンの銅箔形状は、応力緩和された（ラウンド／ティアドロップ状の）フィーチャを用いて指定し、リジッドフレックス境界部での配線幅や銅厚の急激な変化を避けてください。
曲げ部近傍の接合部では、汎用の標準合金ではなく、実際の熱サイクルプロファイルと想定サイクル数に合わせて、はんだ合金を選定してください。
共平面性を制御するために設計された治具を用いて、リフロー中にフレックス領域をサポートし、検査に進む前にリフロー後の平坦度を検証すること。
検査カバレッジを構築する際には、標準的なフラット基板向け検査ルーティンだけでなく、リジッドフレックスの段差によって生じる特有の幾何学的ブラインドスポットを対象として、3D SPI、クローズドループ3D AOI、および斜角X線検査を組み合わせて行うこと。
バーンインまたはATE用途向けのリジッドフレックス基板を立ち上げており、製造に回す前に、ベンドゾーンのレイアウト、合金の選定、あるいは検査範囲について改めて確認したい場合は、PCBCartのエンジニアリングチームプロジェクト見積もりの一環として、お客様のスタックアップおよびDFMファイルを確認することができます。
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