กลยุทธ์การจัดการความร้อนในแผงวงจรพิมพ์แข็ง-ยืดหยุ่นสำหรับหัวตรวจอัลตราซาวนด์แบบพกพา

ระบบอัลตราซาวนด์แบบพกพาจะบีบอัดสายโซ่สัญญาณการสร้างภาพทั้งหมด — ส่วนหน้าจำลอง (analog front-end) ลอจิกการสร้างลำแสง (beamforming) การปรับสภาพพลังงาน และการเชื่อมต่อกับอาร์เรย์ทรานสดิวเซอร์ — เข้าไปอยู่ในตัวโพรบที่มีขนาดใหญ่ไปกว่าชุดอะคูสติกเพียงเล็กน้อยเท่านั้นการประกอบแผงวงจรพิมพ์แบบแข็ง-ยืดหยุ่นได้กลายเป็นสถาปัตยกรรมมาตรฐานสำหรับเรขาคณิตนี้ เนื่องจากส่วนโค้งงอแบบยืดหยุ่นช่วยนำสัญญาณอ้อมผ่านอาร์เรย์เพียโซอิเล็กทริกหรือ CMUT และผ่านคอแคบของหัวตรวจโดยไม่ต้องใช้ขั้วต่อ ทำให้ลดทั้งปริมาณและจำนวนจุดเชื่อมต่อที่มีแนวโน้มจะเกิดความล้มเหลว

สถาปัตยกรรมนี้แก้ปัญหาด้านมิติพื้นที่ได้ แต่ก็ยังนำมาซึ่งปัญหาด้านความร้อนที่ไม่ปรากฏอยู่ในเอกสารข้อมูลหรือการทดสอบการทำงานรอบแรก และสำหรับทีมที่รับผิดชอบการผลิตฮาร์ดแวร์อัลตราซาวนด์แล้ว นี่เป็นหนึ่งในตัวแปรด้านความเชื่อถือได้ที่ส่งผลกระทบมากที่สุดตลอดทั้งกระบวนการผลิต

บอร์ดแบบริจิด-เฟล็กซ์ไม่ใช่วัสดุเนื้อเดียวกันเพียงชิ้นเดียว แต่เป็นการซ้อนทับของวัสดุต่างชนิดกันที่ถูกยึดติดเข้าด้วยกัน โดยแต่ละชั้นมีพฤติกรรมการขยายตัวทางความร้อนของตัวเอง เมื่อแผงซ้อนนี้ผ่านเข้าเตารีโฟลว์ ความแตกต่างในลักษณะการขยายและหดตัวของแต่ละวัสดุจะกลายเป็นปัจจัยหลักที่กำหนดความแข็งแรงของจุดบัดกรี — และเป็นตัวกำหนดการควบคุมความไม่สอดคล้องของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ในระยะยาวบริเวณจุดเปลี่ยนจากส่วนแข็งไปเป็นส่วนยืดหยุ่นของบอร์ด

ปัญหาความไม่ตรงกันของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน: FR4 เทียบกับโพลิอิไมด์

สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) อธิบายว่ามิติของวัสดุเปลี่ยนแปลงไปมากเพียงใดต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิหนึ่งองศา โดยแสดงค่าเป็น ppm/°C ในโครงสร้างซ้อนแบบริจิด-เฟล็กซ์ทั่วไป:

FR4 (ส่วนแข็ง)มีค่า CTE ในระนาบทั่วไปอยู่ในช่วง 14–18 ppm/°C ค่า CTE นอกระนาบ (แกน Z) โดยทั่วไปอยู่ที่ 50–70 ppm/°C ต่ำกว่า Tg และอาจเกิน 200 ppm/°C เมื่อสูงกว่าค่า Tg ของแผ่นลามิเนตอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านแก้ว(Tg).

ฟิล์มโพลีอิมाइड (ส่วนโค้งงอ)โดยทั่วไปจะแสดงค่า CTE ในระนาบอยู่ในช่วง 12–20 ppm/°C ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสูตรฟิล์ม ทิศทางการจัดเรียงตัว และปริมาณทองแดง

ทองแดงอยู่ที่ประมาณ 16–17 ppm/°C — ใกล้เคียงกับ FR4 ในระดับที่พอใช้ได้ แต่จะเกิดความไม่สอดคล้องกับโพลียิไมด์มากขึ้นเรื่อย ๆ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

บนบอร์ดแข็งแบบโมโนลิธิก ปัญหาความไม่สอดคล้องของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ระหว่างทองแดงกับลามิเนตเป็นประเด็นที่รู้จักกันดีและสามารถจัดการได้ ในชุดประกอบแบบ rigid-flex ปัญหานี้จะทวีความซับซ้อนขึ้น วัสดุสองชนิดที่มีอัตราการขยายตัวต่างกันถูกยึดติดกันทางกลที่จุดต่อคงที่ — บริเวณรอยต่อระหว่างส่วนแข็งกับส่วนยืดหยุ่น (rigid-flex transition zone) เมื่อชุดประกอบถูกให้ความร้อนตามโปรไฟล์รีโฟลว์จนถึงอุณหภูมิสูงสุดประมาณ 240°C–250°C สำหรับบัดกรีไร้สารตะกั่วแบบ SAC305 บริเวณโพลีอิไมด์จะมีแนวโน้มขยายตัวด้วยอัตราที่ต่างจากบริเวณ FR4 ที่อยู่ติดกัน เนื่องจากทั้งสองถูกยึดติดกัน การขยายตัวที่แตกต่างกันนี้จึงไม่สามารถคลี่คลายได้อย่างอิสระ — ทำให้เกิดความเค้นเฉือนที่รวมตัวอยู่บริเวณรอยต่อ และส่งผ่านโดยตรงไปยังข้อต่อบัดกรีใด ๆ ที่อยู่ใกล้บริเวณนั้น

ระหว่างการเย็นตัว ความไม่สอดคล้องกันจะกลับทิศทาง ดังนั้นเพียงรอบการรีโฟลว์รอบเดียวจึงทำให้ข้อต่อใกล้ขอบเขตระหว่างส่วนแข็ง‑ยืดหยุ่นเกิดความเค้นทั้งสองทิศทาง เพิ่มจากความเค้นตกค้างที่มีอยู่เดิมจากกระบวนการลามิเนตและการยึดติด

เหตุใดประเด็นนี้จึงมีความสำคัญเป็นพิเศษต่อบอร์ดหัวตรวจอัลตราซาวนด์

แผงวงจรพิมพ์ของหัวตรวจอัลตราซาวนด์ยิ่งเพิ่มความซับซ้อนด้านเรขาคณิตมากขึ้นไปอีก ส่วนเฟล็กซ์มักมีความแคบ โค้ง และถูกจัดเส้นทางให้โค้งรอบรัศมีที่แคบเพื่อให้เข้ากับแนวโค้งของตัวเรือนหัวตรวจหรือเพื่อเชื่อมต่อกับแผงทรานสดิวเซอร์ในมุมเอียง ส่วนประกอบที่วางอยู่ใกล้บริเวณรอยต่อและโซนโค้งงอเหล่านี้ — เช่น BGA ระยะพิชช์ละเอียดสำหรับ ASIC จัดรูปคลื่น, ตัวต้านทาน/ตัวเก็บแบบ 0201/01005 ในส่วนหน้าจำเพาะสัญญาณแอนะล็อก และคอนเนกเตอร์ที่เชื่อมต่อกับชุดอะคูสติก — จะอยู่ในบริเวณที่รับความเค้นสูงที่สุดของแอสเซมบลีโดยตรง

หากแผงวงจรไม่ได้ถูกยึดทางกลไกในระหว่างการรีโฟลว์ ความไม่สอดคล้องของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) จะแสดงออกมาเป็นการโก่งตัวเฉพาะบริเวณ: ส่วนโค้งงอจะยกขึ้นหรือตะแคงเมื่อเทียบกับส่วนที่แข็งขณะที่แผ่นวงจรเคลื่อนผ่านโซนแช่และโซนรีโฟลว์ การโก่งตัวเฉพาะที่แม้เพียงเล็กน้อยที่เกิดขึ้นในขณะที่ประสานอยู่ในสถานะหลอมเหลวก็อาจส่งผลให้:

ข้อบกพร่องแบบหัวบนหมอน (HiP)ซึ่งเป็นกรณีที่ลูกบอลประสานและสารประสานที่ฝากไว้หลอมเหลวแยกจากกันและไม่รวมตัวกันอย่างสมบูรณ์เลย โดยมักจะมองไม่เห็นจากการตรวจสอบแบบสองมิติ

ข้อต่อที่แสดงให้เห็นถึงการเปียกหรือการครอบคลุมของบัดกรีไม่เพียงพอเมื่อเทียบกับเกณฑ์การยอมรับของ IPC Class 3 โดยเฉพาะบริเวณแถวลูกบอลที่อยู่ใกล้ขอบเขตของเฟล็กซ์มากที่สุด ซึ่งเป็นบริเวณที่มีความเค้นทางเรขาคณิตสูงที่สุด

การเกิดรอยร้าวขนาดเล็กในแนวเชื่อมประสานที่ผ่านการตรวจสอบเอกซเรย์และการตรวจสอบด้วยสายตาในขั้นต้น แต่รอยร้าวดังกล่าวลุกลามภายใต้การโค้งงอเชิงกลซ้ำๆ และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ ที่หัวตรวจประสบในระหว่างการใช้งานทางคลินิก — วัฏจักรการทำความสะอาดและการฆ่าเชื้อซ้ำๆ การอุ่นพื้นผิวสัมผัสผิวหนัง และแรงดึงสายเคเบิลบริเวณด้ามจับของหัวตรวจ

นี่คือประเด็นหลักด้านความเชื่อถือได้สำหรับผู้ซื้อในสายวิทยาศาสตร์ชีวภาพ: ข้อต่อที่มีสเปกเบี่ยงเบนเล็กน้อยในช่วงเริ่มต้นไม่ได้หมายความว่าจะไม่ผ่านการทดสอบการทำงานเสมอไป มันจะล้มเหลวในอีกหลายเดือนให้หลัง ในภาคสนาม ในลักษณะของการหลุดของช่องสัญญาณเป็นครั้งคราว ซึ่งเป็นรูปแบบความล้มเหลวที่หาสาเหตุรากได้ยากที่สุดรูปแบบหนึ่ง เมื่ออุปกรณ์ถูกนำไปใช้งานทางคลินิกแล้ว

การควบคุมกระบวนการ 1: ฟิกซ์เจอร์สุญญากาศแบบกำหนดเองและแคริเออร์หินสังเคราะห์

การลดผลกระทบหลักเป็นเชิงกล ไม่ใช่เชิงเคมี: จำกัดเรขาคณิตของแผงระหว่างการรีโฟลว์ เพื่อไม่ให้ความไม่สอดคล้องของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนแสดงออกมาเป็นการโก่งตัวที่ควบคุมไม่ได้ในระดับจุดเชื่อม

สิ่งนี้ทำได้ด้วยฟิกซ์เจอร์ยึดจับที่ผ่านการกลึงตามสั่งออกแบบตามโครงร่างของบอร์ดโดยเฉพาะ ไม่ได้เป็นเฟรมแบบทั่วไป — โดยทั่วไปผลิตจากหินสังเคราะห์ (คอมโพสิตเซรามิกที่มีความเสถียรด้านมิติ) หรืออะลูมิเนียมที่ผ่านการกลึงความเที่ยงตรงสูงพร้อมช่องสุญญากาศแบบบูรณาการ

พอร์ตสุญญากาศที่วางตำแหน่งไว้ใต้ส่วนโค้งงอยึดวัสดุเฟล็กซ์ให้แบนราบแนบกับผิวหน้าของแผ่นรองตลอดช่วงโปรไฟล์ความร้อนทั้งหมด เพื่อป้องกันไม่ให้วัสดุยกตัวหรือม้วนงอแยกจากส่วนแข็งเมื่อชิ้นงานประกอบได้รับความร้อน

โพรงแบบมีกระเป๋าที่ผ่านการกลึงให้ได้ความหนาตามส่วนหน้าตัดแข็งอย่างแม่นยำรองรับพื้นผิวทั้งหมด เพื่อไม่ให้บริเวณ FR4 โก่งตัวจากการขยายตัวทางความร้อนของมันเองในช่วงเฟส ramp-to-soak

มีการเลือกใช้หินสังเคราะห์เนื่องจากมีการขยายตัวทางความร้อนต่ำและมีเสถียรภาพด้านมิติในช่วงอุณหภูมิห้องจนถึง 250°C ระหว่างการรีโฟลว์ ทำให้ตัวยึดไม่ก่อให้เกิดตัวแปรการขยายตัวตัวที่สาม มวลความร้อนของมันยังช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิในบริเวณต่าง ๆ บนแผงระหว่างช่วงการเพิ่มอุณหภูมิ

ผลในทางปฏิบัติ: ฟิกซ์เจอร์จะแปลงแอสเซมบลีหลายวัสดุที่มีความยืดหยุ่นทางกล ให้กลายเป็นสิ่งที่มีพฤติกรรมใกล้เคียงกับแผงแข็งชิ้นเดียวมากขึ้นในช่วงเวลาวิกฤตของสถานะหลอมเหลว ค่าการขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่ไม่ตรงกันระหว่าง FR4 และโพลีอิมายด์ยังคงมีอยู่ในระดับวัสดุเช่นเดิม — ฟิกซ์เจอร์จะกระจายความเค้นที่เกิดขึ้นใหม่ในเชิงกล แทนที่จะปล่อยให้ความเค้นนั้นไปรวมตัวกันที่ข้อต่อบัดกรีซึ่งไม่ได้รับการรองรับใกล้บริเวณรอยต่อ

ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ยึดถูกตรวจสอบโดยตรงผ่านการตรวจสอบครีมประสานแบบสามมิติ (SPI)ก่อนการรีโฟลว์ และการตรวจสอบด้วยแสงเชิงออปติคแบบอัตโนมัติสามมิติ (AOI)พร้อมระบบป้อนกลับแบบปิดวงหลังการรีโฟลว์ โดยตรวจสอบเฉพาะจุดที่รอยต่อระหว่างบอร์ดแข็งและเฟล็กซ์ แทนที่จะอ้างอิงจากข้อมูลค่าเฉลี่ยของทั้งแผง การเบี่ยงเบนใด ๆ ในความสูงของครีมบัดกรีหรือรูปทรงจุดเชื่อมต่อหลังการรีโฟลว์ตรงบริเวณขอบเขตนั้น บ่งชี้ว่าต้องปรับปรุงออกแบบฟิกซ์เจอร์ก่อนเริ่มการผลิตจริง — และสำหรับแพ็กเกจ BGA และ QFN ที่อยู่ใกล้รอยต่อดังกล่าวการตรวจสอบเอ็กซเรย์แบบออฟไลน์ยืนยันระดับช่องว่างและรูปทรงของลูกบอลที่การตรวจสอบด้วยแสงไม่สามารถมองเห็นได้

การควบคุมกระบวนการ 2: การอบก่อนอย่างแม่นยำ (ปกติ 4–8 ชั่วโมง)

การควบคุมประการที่สองจัดการกับความชื้น ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์โดยตรงกับปัญหา CTE แทนที่จะเป็นโหมดความล้มเหลวที่แยกออกมาต่างหาก

โพลีอิไมด์และระบบเรซินที่ใช้ในโครงสร้างเฟล็กซ์และริจิด-เฟล็กซ์มีคุณสมบัติดูดความชื้น กล่าวคือจะดูดซับความชื้นจากบรรยากาศระหว่างการจัดเก็บ การขนส่ง และการจัดการ เมื่อแผงที่อุ้มน้ำความชื้นเข้าสู่กระบวนการรีโฟลว์ ความชื้นที่ถูกกักเก็บไว้จะกลายเป็นไออย่างรวดเร็วเมื่อแผ่นวงจรมีอุณหภูมิสูงกว่า 100°C ในชุดประกอบริจิด-เฟล็กซ์ แรงดันไอจะสะสมที่บริเวณรอยต่อของวัสดุ โดยเฉพาะบริเวณชั้นยึดระหว่างโพลีอิไมด์คัฟเวอร์เลย์กับทองแดง หรือระหว่างชั้นเฟล็กซ์ และจะทวีความเค้นที่มีอยู่เดิมจากความไม่สอดคล้องของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่บริเวณรอยต่อริจิด-เฟล็กซ์ ผลกระทบร่วมกันนี้เพิ่มความเสี่ยงต่อการลอกตัวระหว่างชั้นและการเสื่อมสภาพของชั้นยึดเหนี่ยว

การอุ่นล่วงหน้าที่ดำเนินการก่อนหน้าการวางชิ้นส่วนแบบ SMTกล่าวถึงประเด็นนี้โดยตรง:

ระยะเวลา 4–8 ชั่วโมงโดยปรับตามจำนวนชั้นของแผง ความหนาของชั้นเฟล็กซ์ และประวัติการสัมผัสความชื้นนับตั้งแต่บอร์ดเปลือยมาถึงจากห่วงโซ่อุปทานที่ผ่านการรับรอง

อุณหภูมิการอบถูกควบคุมให้อยู่ต่ำกว่าค่าอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านแก้วของลามิเนตดังนั้นความชื้นที่ถูกดูดซับจะถูกขับออกไปโดยไม่ก่อให้เกิดความเค้นจากความร้อนหรือทำให้ระบบกาวภายในโครงสร้างแบบซ้อนชั้นของเฟล็กซ์แข็งตัวก่อนเวลาอันควร

หน้าต่างเวลาควบคุมระหว่างการอบและการวาง— โดยทั่วไปภายในกะเดียวกัน — เพื่อป้องกันไม่ให้แผงดูดซึมความชื้นจากสภาพแวดล้อมอีกครั้งก่อนที่จะเข้าสู่ไลน์ SMT

ขั้นตอนนี้จะถูกบันทึกกับล็อตวัสดุเฉพาะผ่านMES อัจฉริยะเชื่อมโยงเวลาการจัดการที่ไวต่อความชื้นกับล็อตของชิ้นส่วนและรหัสวันที่ที่ใช้ในการผลิตครั้งนั้น โดยมีการสืบค้นย้อนกลับได้อย่างครบถ้วนไปจนถึงการทำหมายเลขลำดับด้วยเลเซอร์บนชุดประกอบที่เสร็จสมบูรณ์

ความไม่สอดคล้องของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ระหว่าง FR4 และโพลิอิไมด์ไม่ใช่ข้อบกพร่องที่รอให้ตรวจพบภายหลัง แต่เป็นตัวแปรเชิงโครงสร้างที่จำเป็นต้องควบคุมตั้งแต่ในกระบวนการรีโฟลว์เอง สำหรับทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวนด์แบบพกพา ซึ่งบอร์ดริจิด–เฟล็กซ์ถูกพับให้มีรัศมีโค้งงอ และบรรจุด้วยคอมโพเนนต์ระยะพิชช์ละเอียดจำนวนมากใกล้บริเวณรอยต่อริจิด–เฟล็กซ์ การขยายตัวเชิงต่างระดับที่ไม่ถูกควบคุมในช่วงอุณหภูมิรีโฟลว์ 240°C–250°C จะแปรผันตรงไปเป็นการโก่งงอ (warpage) ข้อบกพร่องแบบ head-in-pillow และจุดเชื่อมต่อที่ด้อยกว่ามาตรฐาน Class 3 ซึ่งอาจผ่านการทดสอบเริ่มต้น แต่ล้มเหลวภายใต้การไซเคิลความร้อนและแรงกลในสภาพการใช้งานจริง ฟิกซ์เจอร์จับยึดแบบสูญญากาศ/หินสังเคราะห์ที่ออกแบบเฉพาะ และโปรโตคอลการอบไล่ความชื้นก่อนรีโฟลว์ที่กำหนดตามลอตการผลิต จะจัดการปัญหานี้ตั้งแต่ต้นเหตุ โดยเปลี่ยนแอสเซมบลีหลายวัสดุที่มีความยืดหยุ่น ให้กลายเป็นโครงสร้างที่มีพฤติกรรมคาดการณ์ได้ตลอดช่วงอุณหภูมิเหนือจุดหลอมเหลว และกำจัดความชื้นซึ่งจะยิ่งเพิ่มความเครียดจาก CTE ด้วยแรงดันไอ เมื่อรวมกันแล้ว การควบคุมสองประการนี้เป็นตัวกำหนดว่าบอร์ดริจิด–เฟล็กซ์สำหรับอัลตราซาวนด์จะถูกส่งมอบออกไปพร้อมความเสี่ยงแฝง หรือพร้อมความมั่นใจในความสมบูรณ์ของจุดเชื่อมต่อในตำแหน่งที่สำคัญที่สุด

มีผู้ให้บริการ EMS เพียงไม่กี่รายที่มองว่าการออกแบบฟิกซ์เจอร์และการจัดตารางการอบล่วงหน้าเป็นตัวแปรทางวิศวกรรมเฉพาะบอร์ด — ส่วนใหญ่จะรันแผง rigid-flex บนแคริเออร์แบบทั่วไปที่ใช้เวลาการอบมาตรฐาน ซึ่งเพียงพอสำหรับบอร์ดผู้บริโภคความหนาแน่นต่ำ แต่ปล่อยให้โหมดความล้มเหลวที่อธิบายไว้ข้างต้นไม่ถูกแก้ไขสำหรับแอสเซมบลีทางการแพทย์ความหนาแน่นสูง ทีมวิศวกรรมกระบวนการของ PCBCart จะสร้างฟิกซ์เจอร์และโปรไฟล์ความร้อนขึ้นตามโครงสร้างเลเยอร์ (stack-up) รูปทรงการโค้งงอ และตำแหน่งการวางชิ้นส่วนเฉพาะของแต่ละดีไซน์ระหว่างการทบทวน DFMและเชื่อมโยงระยะเวลาการอบล่วงหน้าและข้อมูลการตรวจสอบกลับไปยังล็อตของวัสดุผ่านระบบ Smart MES เพื่อให้สามารถตรวจสอบย้อนกลับได้อย่างครบถ้วน หากทีมของคุณกำลังพัฒนาแผ่นวงจรแข็ง-ยืดหยุ่นสำหรับหัวตรวจอัลตราซาวด์หรือแอปพลิเคชันด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพอื่น ๆ ที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่ โปรดติดต่อ PCBCart

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•การจัดการความร่วมระนาบและการป้องกันการบิดงอในแผงควบคุมทางการแพทย์แบบหลายชั้น
•บทบาทของระบบตรวจสอบบัดกรีสามมิติ (3D SPI) และระบบตรวจสอบอัตโนมัติ (AOI) ในการขจัดข้อบกพร่องที่เล็ดรอดในการผลิต SMT ทางการแพทย์
•การลดโพรงอากาศใต้การเชื่อมประสานปลอดสารตะกั่วแบบ SMT สำหรับเครื่องวิเคราะห์เลือดและฮาร์ดแวร์วินิจฉัย
•มาตรฐาน IPC-A-610 ระดับคลาส 3 สำหรับการประกอบอิเล็กทรอนิกส์ด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพที่มีความน่าเชื่อถือสูง
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูง