บอร์ดโหลด ATE (อุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ) ในช่วง 12–20 ชั้นนำเสนอหนึ่งในปัญหาควบคุมการโก่งงอที่ยากที่สุดในกระบวนการประกอบ PCBA การซ้อนชั้นทองแดงที่หนาและไม่สมมาตรร่วมกับลามิเนตที่ทำงานใกล้อุณหภูมิการเปลี่ยนแก้ว (Tg) ระหว่างการรีโฟลว์ ทำให้เกิดการผสมผสานของปัจจัยที่การยึดจับแบบมาตรฐานมักไม่สามารถแก้ไขได้อย่างสมบูรณ์ด้วยตัวเอง บทความนี้ครอบคลุมถึงแหล่งที่มาของการโก่งงอ วิธีที่การยึดจับจำกัดการโก่งงอระหว่างการรีโฟลว์ วิธีที่การตัดสินใจเกี่ยวกับโครงสร้างซ้อนชั้นช่วยลดการโก่งงอตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบ และตำแหน่งในกระบวนการที่ควรวัดการโก่งงอ
ทำไมบอร์ด ATE ที่มีจำนวนเลเยอร์สูงจึงเกิดการโก่งตัวระหว่างกระบวนการรีโฟลว์
มีสองกลไกที่เป็นปัจจัยหลักที่ทำให้แผ่นวงจรในกลุ่มนี้เกิดการโก่งงอ
การกระจายตัวของทองแดงที่ไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งสแต็กโดยทั่วไปแล้วแผงโหลด ATE จะผสมผสานเลเยอร์ลายวงจรที่มีความหนาแน่นสูง (อินเทอร์เฟซ DUT ระยะพิชช์ถี่ ระนาบกราวด์) เข้ากับเลเยอร์สัญญาณหรือเลเยอร์จ่ายไฟที่มีความหนาแน่นต่ำกว่า เมื่อความหนาทองแดงและความหนาแน่นของลวดลายแตกต่างกันอย่างมากจากเลเยอร์หนึ่งไปยังอีกเลเยอร์หนึ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งข้ามแกนกลางสมดุลของแผง แต่ละเลเยอร์จะขยายและหดตัวด้วยอัตราที่ต่างกันในขณะที่แผงผ่านโปรไฟล์การรีโฟลว์ ในแผงหนาที่มี 12–20 เลเยอร์ ความไม่สอดคล้องกันนั้นจะแปรผันออกมาโดยตรงเป็นการโก่งงอและบิดตัว เนื่องจากมีมวลลามิเนตให้เคลื่อนที่อย่างไม่สม่ำเสมอมากขึ้น และมีระยะห่างระหว่างเลเยอร์ด้านนอกมากขึ้นให้ความไม่สมดุลแสดงผลได้มากกว่า
ค่า Tg ของลามิเนตเข้าใกล้อุณหภูมิการรีโฟลว์สูงสุดFR-4 มาตรฐานที่มีค่า Tg อยู่ในช่วง 130–150°C นั้นต่ำกว่าค่าสูงสุดของการรีโฟลว์ปลอดสารตะกั่วทั่วไปที่ 235–250°C อยู่มาก ดังนั้นเรซินจึงอยู่ในสภาวะเกินจุดเปลี่ยนเป็นแก้วตลอดช่วงเวลาโปรไฟล์ส่วนสำคัญ เหนือค่า Tg ไปแล้ว ค่า CTE ตามแนวแกน z จะเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว (กฎโดยประมาณที่มักอ้างถึงในอุตสาหกรรมคือ สูงกว่าค่า CTE ใต้ Tg หลายเท่า) และความต้านทานของแผ่นต่อการโก่งงอก็จะลดลงตามไปด้วย ประเด็นนี้มีความสำคัญมากขึ้นในแผ่นวงจรที่มีจำนวนเลเยอร์สูง เนื่องจาก:
• ชั้นมากขึ้นหมายถึงการสะสมมากขึ้นความไม่ตรงกันของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนระหว่างทองแดงและเรซิน
• ระยะเวลาที่อยู่เหนือจุดหลอมเหลวนานขึ้นระหว่างการรีโฟลว์ (ซึ่งมักจำเป็นเพื่อให้การเปียกตัวสมบูรณ์ผ่านแผ่นวงจรที่มีความหนา) จะขยายช่วงเวลาที่ลามิเนตอยู่ในสภาวะยืดหยุ่นนี้
• พื้นที่บอร์ดที่ใหญ่ขึ้น (พบได้ทั่วไปบนโหลดบอร์ดของ ATE เพื่อให้ตรงกับขนาดฐานหัวทดสอบ) จะเพิ่มระยะแขนโมเมนต์ที่แรงไม่สมมาตรใด ๆ สามารถออกฤทธิ์ได้
วัสดุที่มีค่า Tg สูงกว่า (170°C ขึ้นไป) ช่วยลดผลกระทบนี้ได้ แต่ไม่สามารถขจัดมันได้อย่างสิ้นเชิง พวกมันเพียงยกระดับค่าขีดเริ่มต้นขึ้น ไม่ได้กำจัดกลไกทางฟิสิกส์พื้นฐานที่อยู่เบื้องหลัง
ข้อจำกัดของอุปกรณ์ยึดหินสังเคราะห์ระหว่างการรีโฟลว์
มีการใช้ฟิกซ์เจอร์ที่ทำจากหินสังเคราะห์ (คอมโพสิตแกรนิตวิศวกรรม) เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่เกือบเป็นศูนย์และมวลความร้อนที่สูงของวัสดุ ทำให้มันทำหน้าที่เป็นระนาบอ้างอิงที่มีเสถียรภาพตลอดโปรไฟล์การรีโฟลว์ แทนที่จะโก่งตัวตามแผงวงจรเหมือนฟิกซ์เจอร์โลหะ
ตรรกะทางวิศวกรรมที่อยู่เบื้องหลังวิธีการนี้โดยทั่วไปมีลักษณะดังนี้:
•รองรับทั้งแผง ไม่ใช่การหนีบเฉพาะขอบแผ่นกระดานที่ได้รับการรองรับเฉพาะบริเวณขอบจะสามารถโก่งตัวได้อย่างอิสระตรงกลาง ซึ่งเป็นบริเวณที่มักเกิดการบิดงอรุนแรงที่สุด การให้แผ่นกระดานสัมผัสเต็มทั้งแผงกับผิวหน้าของฟิกซ์เจอร์ช่วยแก้ปัญหานี้ได้โดยตรง
•ระยะเคลียร์รันซ์สำหรับรูทะลุและคุณลักษณะของคอนเนคเตอร์บอร์ดโหลดของ ATE มักติดตั้งซ็อกเก็ตแบบพ็อกโกพิน คอนเนคเตอร์แบบกดเสียบ (press-fit) หรือคอมโพเนนต์แบบรูทะลุ (through-hole) ไว้ที่ด้านล่าง ฟิกซ์เจอร์ที่เพิกเฉยต่อองค์ประกอบเหล่านี้และบังคับให้บอร์ดแบนทับลงบนส่วนที่ยื่นออกมา จะเป็นเพียงการย้ายตำแหน่งของความเค้นแทนที่จะกำจัดมัน ดังนั้นการเว้นช่องหรือพื้นที่ผ่อนแรงสำหรับคุณลักษณะเหล่านี้จึงเป็นประเด็นที่ต้องพิจารณาในการออกแบบฟิกซ์เจอร์แบบเต็มแผงทุกชิ้น
•มวลความร้อนที่สอดคล้องกับโปรไฟล์เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ของหินสังเคราะห์มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับวัสดุแผ่น PCB จึงไม่เกิดการขยายตัวหรือหน่วงตามแผ่นวงจรในระหว่างรอบความร้อน ซึ่งช่วยให้สามารถคงสภาพการยึดตรึงได้ตั้งแต่ช่วงเร่งอุณหภูมิ ผ่านจุดอุณหภูมิสูงสุด ไปจนถึงช่วงเย็นตัว ซึ่งเป็นช่วงที่โดยปกติแล้วการโก่งงอมีแนวโน้มจะ “คงรูป” เมื่อเรซินผ่านอุณหภูมิ Tg ลงมาอีกครั้ง
จุดที่จำเป็นต้องใช้การรีโฟลว์ด้วยฟิกซ์เจอร์อย่างแน่นอนนั้น ขึ้นอยู่กับโครงสร้างเลเยอร์เฉพาะ การกระจายตัวของทองแดง และขนาดแผงที่เกี่ยวข้อง และควรประเมินเป็นรายกรณี แทนที่จะอ้างอิงตามกฎจำนวนเลเยอร์หรือความหนาคงที่
これは、熱サイクル中に適用されるプロセスレベルの制約であり、以下のスタックアップに関する決定に代わるものではなく、それらと並行して機能します。治具による固定は組立時の症状を管理し、スタックアップ設計は設計段階で根本原因を管理します。
การออกแบบ Stack-Up: กลยุทธ์การถ่วงสมดุลทองแดง
การแก้ปัญหาการบิดงอที่ทนทานที่สุดจะต้องทำตั้งแต่ก่อนเริ่มผลิตแผ่นวงจร การปรับสมดุลทองแดงหมายถึงการกระจายน้ำหนักและพื้นที่ปกคลุมของทองแดงให้สมมาตรรอบเส้นกึ่งกลางเชิงกลของบอร์ด: จัดวางเลเยอร์ที่มีความหนาแน่นสูงให้สะท้อนกันกับเลเยอร์ที่มีความหนาแน่นสูง และเลเยอร์ที่เบาบางกับเลเยอร์ที่เบาบาง แทนที่จะปล่อยให้แกนกราวด์/เพาเวอร์ที่มีน้ำหนักมากอยู่อย่างไม่สมดุลกับเลเยอร์สัญญาณที่เบากว่าทางด้านใดด้านหนึ่ง
แนวปฏิบัติทั่วไปที่ควร检查ในการซ้อนเลเยอร์ของบอร์ดโหลด ATE
•การจับคู่ความหนาทองแดงและความหนาแน่นของคู่ชั้นการเปรียบเทียบพื้นที่ปิดทับด้วยทองแดงระหว่างคู่เลเยอร์ที่สมมาตร (เช่น เลเยอร์ 2 เทียบกับเลเยอร์ N-1) และทำให้ค่าความต่างมีขนาดเล็ก จะช่วยลดการขยายตัวต่างระดับที่เป็นสาเหตุของการโก่งงอ
•ทองแดงจำลอง/ถูกขโมยบนชั้นที่เบาบางเมื่อเลเยอร์การเดินสายมีทองแดงอยู่ตามธรรมชาติน้อย (เช่น เลเยอร์สัญญาณความหนาแน่นต่ำ) การเติมฟิลล์ทองแดงที่ไม่มีหน้าที่ทางไฟฟ้าจะช่วยเพิ่มมวลความร้อนให้เข้าใกล้เลเยอร์คู่สมมาตรของมันมากขึ้นโดยไม่กระทบต่อการทำงานทางไฟฟ้า
•ความสมดุลของการวางคอร์เทียบกับพรีเพรกเนื่องจากแกนและพรีเพรกมีพฤติกรรมแตกต่างกันภายใต้ภาระความร้อน การสะท้อนตำแหน่งของวัสดุเหล่านี้รอบเส้นกึ่งกลาง (ไม่ใช่เพียงแค่สะท้อนลายทองแดง) จะช่วยหลีกเลี่ยงการนำความไม่สมมาตรกลับเข้ามาในระดับระบบเรซิน แม้ว่าการกระจายของทองแดงจะดูสมดุลก็ตาม
•หลีกเลี่ยงชั้นแผ่นหนาเพียงชั้นเดียวที่เยื้องจากกึ่งกลางระนาบกราวด์หรือระนาบจ่ายไฟที่มีความหนาและการปกปิดสูงซึ่งวางแบบไม่สมมาตรในโครงสร้างเลเยอร์ เป็นปัจจัยที่ทำให้เกิดการโก่งงอได้บ่อยบนบอร์ด ATE ที่ต้องใช้ระนาบรับกระแสสูงสำหรับจ่ายไฟให้ DUT โดยทั่วไป การแบ่งทองแดงนั้นออกเป็นคู่เลเยอร์ที่เป็นภาพสะท้อนกัน จะดีกว่าการไปรวมไว้ในเลเยอร์เดียว
สำหรับบอร์ด 16–20 เลเยอร์ สิ่งเหล่านี้ไม่มีข้อใดที่สามารถขจัดความเสี่ยงการโก่งตัวได้ด้วยตัวมันเอง เพียงแต่ช่วยลดระดับความโก่งที่ฟิกซ์เจอร์รีโฟลว์ต้องรับหน้าที่กดให้แบนเท่านั้น
จุดตรวจวัด: การตรวจหลังการวางชิ้นส่วน เทียบกับการตรวจ AOI 3 มิติหลังการรีโฟลว์
ควรตรวจสอบการโก่งตัวในสองจุดที่แตกต่างกันของกระบวนการ เนื่องจากการวัดทั้งสองครั้งใช้เพื่อตรวจจับโหมดความล้มเหลวที่แตกต่างกัน
AOI 3 มิติหลังการวางชิ้นส่วน (ก่อนการรีโฟลว์)ในขั้นตอนนี้ 3D AOI ใช้สำหรับตรวจสอบความแม่นยำของการวางชิ้นส่วนและความอยู่ในระนาบเดียวกันของครีมบัดกรี/ชิ้นส่วนบนบอร์ดที่ยังคงมีอุณหภูมิห้องและยังไม่ถูกความร้อนทำให้เกิดความเครียด ความโก่งงอใด ๆ ที่วัดได้ในจุดนี้ถือเป็นความโก่งงอ “ตามสภาพที่ผลิต” ซึ่งเป็นค่าพื้นฐานที่สะท้อนถึงความเครียดจากการลามิเนตในระดับแผง ไม่ใช่ผลกระทบที่เกิดจากกระบวนการรีโฟลว์
การตรวจสอบภาพสามมิติด้วย AOI หลังการรีโฟลว์.สิ่งนี้จับการโก่งงอหลังจากแผ่นบอร์ดผ่านอุณหภูมิสูงสุดแล้วกลับมาสู่อุณหภูมิห้อง: ค่าตัวเลขที่มีความสำคัญต่อขั้นตอนถัดไป เช่นจุดเชื่อมต่อฟิกซ์เจอร์ ICTการนั่งของคอนเน็กเตอร์ หรือการเชื่อมต่อกับหัวทดสอบ การเปรียบเทียบกับค่าอ้างอิงหลังการวางชิ้นส่วนจะช่วยแยกได้ว่าระดับการโก่งงอเพิ่มเติมที่เกิดจากกระบวนการรีโฟลว์เองมีมากน้อยเพียงใด
จุดข้อมูลที่มีประโยชน์คือการเปรียบเทียบระหว่างจุดตรวจสองจุด หากบอร์ดมีค่าราบเรียบก่อนการรีโฟลว์แต่แสดงความเบี่ยงเบนอย่างมากหลังการรีโฟลว์ แสดงว่ากระบวนการรีโฟลว์หรือการจับยึดเป็นตัวการ แต่ถ้าบอร์ดมีค่าคลาดเคลื่อนจากสเปกตั้งแต่ก่อนรีโฟลว์ แสดงว่าปัญหาย้อนกลับไปที่การผลิตแผงหรือลำดับชั้นของเลเยอร์ การใช้ AOI หลังรีโฟลว์เป็นจุดตรวจเดียวจะทำให้สูญเสียสัญญาณเชิงวินิจฉัยนี้ไป
รายการตรวจสอบการออกแบบและกระบวนการสำหรับการควบคุมการโก่งงอของบอร์ดโหลด ATE
• ยืนยันจำนวนเลเยอร์ ความหนา และการกระจายของทองแดงให้เป็นไปตามโครงสร้างเลเยอร์แบบสมดุล CTE และสมมาตรก่อนการตรึงเลย์เอาต์
• ระบุค่า Tg ของลามิเนตโดยเผื่อระยะความปลอดภัยจากอุณหภูมิพีคจริงของโปรไฟล์รีโฟลว์ ไม่ใช่แค่เทียบกับค่าขั้นต่ำตามมาตรฐาน IPC
• ทำเครื่องหมายเลเยอร์เพลนหนักเดี่ยวใด ๆ สำหรับการแยกหรือการสะท้อนระหว่างการตรวจสอบการจัดเรียงเลเยอร์
• วางแผนการจับยึดแผงแบบรองรับเต็มแผง (ไม่ใช่เฉพาะขอบ) สำหรับบอร์ดที่มีจำนวนเลเยอร์สูงและความหนามาก ซึ่งความแข็งตัวตามธรรมชาติอย่างเดียวไม่สามารถเชื่อถือได้
• ยืนยันว่าช่องบรรเทาแรงของฟิกซ์เจอร์ถูกกำหนดตำแหน่งให้ตรงกับตำแหน่งคอนเน็กเตอร์ด้านล่าง/รูทะลุก่อนการผลิตฟิกซ์เจอร์
• เก็บข้อมูลการโก่งตัว AOI แบบ 3 มิติทั้งที่จุดตรวจหลังการวางชิ้นส่วนและหลังการรีโฟลว์ ไม่ใช่เฉพาะหลังการรีโฟลว์เท่านั้น
• เปรียบเทียบจุดตรวจ AOI สองจุดเพื่อแยกความโค้งงอที่เกิดขึ้นในขั้นตอนการผลิตออกจากความโค้งงอที่เกิดจากกระบวนการรีโฟลว์
ทำให้การบิดงอของแผ่นโหลด ATE ครั้งถัดไปของคุณถูกต้อง
บอร์ดโหลด ATE ที่มีจำนวนเลเยอร์สูงไม่ได้โก่งงอด้วยเหตุผลเดียวเพียงอย่างเดียว โดยปกติแล้วจะเป็นผลมาจากการไม่สมดุลของโครงสร้างเลเยอร์ (stack-up asymmetry) การเลือกใช้ลามิเนต และวิธีการยึดบอร์ดระหว่างกระบวนการรีโฟลว์ หากคุณมีโปรเจกต์บอร์ดโหลด ATE ในช่วง 12–20 เลเยอร์ และต้องการความเห็นทางวิศวกรรมก่อนจะล็อกเลย์เอาต์ขั้นสุดท้าย โปรดส่งสเปกบอร์ดของคุณมาเพื่อการประเมินโปรเจกต์ ทีมของเราสามารถช่วยตรวจสอบโครงสร้างเลเยอร์ ข้อกำหนดด้านฟิกซ์เจอร์ และจุดตรวจสอบการตรวจสอบต่าง ๆ ให้สอดคล้องกับการออกแบบของคุณได้
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
●อ้างอิงการยอมรับอัตราช่องว่างของ BGA: เกณฑ์ตามมาตรฐาน IPC-7095D และ IPC-A-610
●คู่มือการตรวจสอบด้วยสายตา IPC-A-610 ระดับคลาส 3 สำหรับชุดประกอบอุตสาหกรรมและการแพทย์
●ความสามารถในการจัดวางซ้อนเลเยอร์
●การตรวจสอบ DFM ของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ฟรีและรายการตรวจสอบสำหรับการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB Assembly)
