ชุดประกอบแบบแข็ง-ยืดหยุ่นถูกระบุใช้งานมากขึ้นเรื่อย ๆ สำหรับแผ่นเบิร์นอิน แผ่นโหลด และฮาร์ดแวร์อินเทอร์เฟซ ATE ที่ซึ่งความหนาแน่นของคอนเน็กเตอร์ การเดินสายในแนวแกน Z และความสอดคล้องทางกลกับเรขาคณิตของหัวทดสอบ เอื้อให้ใช้การเชื่อมต่อแบบเฟล็กซ์มากกว่าการเดินสายแบบแยกเส้น ข้อแลกเปลี่ยนคือโครงสร้างที่มีบริเวณซึ่งมีวัสดุแตกต่างกันสองส่วน คือ FR-4 แบบแข็ง (หรือวัสดุเทียบเท่าที่มี Tg สูง) และโพลีอิไมด์เฟล็กซ์ถูกยึดติดเข้าด้วยกันแล้วนำไปผ่านรอบการให้ความร้อนที่เกิดซ้ำ ๆ ซึ่งมักมีช่วงอุณหภูมิกว้าง การผสมผสานเช่นนี้ทำให้ความไม่สอดคล้องกันของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE mismatch) กลายเป็นประเด็นหลักของการสนทนาเรื่องความน่าเชื่อถือสำหรับบอร์ดประเภทนี้
กลไกทางกายภาพ: เหตุใดบริเวณโค้งงอจึงล้มเหลวก่อน
ความไม่สอดคล้องของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ในบอร์ดริจิด-เฟล็กซ์ไม่ใช่ปัญหาที่วัดได้ด้วยตัวเลขค่าเดียว แต่เป็นปัญหาที่ขึ้นอยู่กับทิศทางและบริเวณต่าง ๆ
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงความร้อนในระนาบจะแตกต่างกันไปตามแต่ละบริเวณแผ่นลามิเนต FR-4 แบบแข็งมักมีช่วงค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ในทิศ X/Y ที่ต่ำกว่าและถูกจำกัดมากกว่าเนื่องจากมีการเสริมแรงด้วยเส้นใยแก้ว ในขณะที่โพลีอิไมด์แบบยืดหยุ่นที่ไม่มีการเสริมแรงจะมีค่า CTE ในระนาบที่สูงกว่าและถูกจำกัดน้อยกว่ามากเมื่อเปรียบเทียบกันชั้นฟอยล์ทองแดงและกาวนั่งอยู่ตรงกลาง
บริเวณรอยต่อ/โค้งงอเป็นจุดรวมความเค้นระหว่างการเบิร์นอินหรือการไล่ระดับอุณหภูมิใน ATE (จากอุณหภูมิแวดล้อมไปยังค่าที่ตั้งไว้ซึ่งสูงขึ้น บางครั้งมีการเปลี่ยนอุณหภูมิไปด้านเย็นขึ้นด้วย ขึ้นอยู่กับโปรไฟล์การทดสอบ) ส่วนแข็งและส่วนเฟล็กซ์จะขยายตัวและหดตัวด้วยอัตราที่แตกต่างกัน เนื่องจากทั้งสองส่วนเชื่อมต่อกันทางกลไกอย่างต่อเนื่องตลอดโซนรอยต่อ การขยายตัวที่แตกต่างกันจึงไม่ถูกเฉลี่ยออกไป แต่กลับถูกสะสมเป็นความเค้นแบบเฉือนและแบบลอกที่บริเวณรอยต่อระหว่างส่วนแข็งกับส่วนเฟล็กซ์โดยตรง และที่จุดประสานบัดกรีหรือฟีเจอร์ทองแดงใด ๆ ที่อยู่ใกล้บริเวณนั้น
การสะสมแบบเป็นวัฏจักร ไม่ใช่ความล้มเหลวจากเหตุการณ์ครั้งเดียวการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิครั้งเดียวมักไม่ทำให้รอยต่อแตกร้าว สิ่งที่สำคัญคือจำนวนรอบของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่แอสเซมบลีเผชิญตลอดช่วงการรับรองและอายุการใช้งานจริง — ในแต่ละรอบจะเพิ่มความเค้นพลาสติกแบบค่อยเป็นค่อยไปให้กับรอยบัดกรีและลายทองแดงในบริเวณโค้งงอ ตามพฤติกรรมความล้าแบบรอบต่ำคลาสสิก (การสะสมความเค้นแบบ Coffin-Manson) จนกระทั่งเกิดรอยร้าวและลุกลามไปจนถึงจุดที่วงจรไฟฟ้าล้มเหลว
สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนตามแกน Z (ตามความหนา) ยิ่งทำให้ปัญหาในรูทะลุชุบโลหะรุนแรงขึ้นเมื่อวิอาหรือรูแพลตผ่าน (PTH) อยู่ใกล้บริเวณรอยต่อระหว่างบอร์ดแข็งกับบอร์ดเฟล็กซ์ การขยายตัวไม่สอดคล้องกันในทิศแกน Z ระหว่างปลอกทองแดงของรูและเรซินรอบข้างจะเพิ่มเวกเตอร์ความเครียดตัวที่สองซ้อนทับบนความเครียดในระนาบของบริเวณโค้งงอ
สำหรับฮาร์ดแวร์ Burn-In และ ATE โดยเฉพาะ ประเด็นนี้มีความสำคัญมากกว่าการใช้งานริจิดเฟล็กซ์ทั่วไป เพราะบอร์ดถูกออกแบบให้ผ่านการวนรอบการทำงานซ้ำๆ อยู่แล้ว—มักจะใช้เวลาหลายชั่วโมงต่อหนึ่งรอบ บนบอร์ดจำนวนมาก ตลอดอายุการใช้งานของเซลล์ทดสอบ—แทนที่จะเผชิญเพียงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในสภาพแวดล้อมการใช้งานจริงเป็นครั้งคราวเท่านั้น
ความท้าทายในการประกอบแบบแข็ง-ยืดหยุ่นที่เฉพาะเจาะจงสำหรับการใช้งานนี้
การควบคุมการโก่งตัวของบริเวณแบบยืดหยุ่น
เฟล็กซ์ที่ไม่ได้รับการรองรับ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโครงสร้างที่บาง มีแนวโน้มที่จะโก่งงอระหว่างการรีโฟลว์และระหว่างการจัดการในขั้นตอนถัดมา ในกระบวนการของเรา แอสเซมบลีริจิด-เฟล็กซ์ที่ไวต่อการโก่งงอจะได้รับการรองรับตลอดกระบวนการรีโฟลว์ด้วยฟิกซ์เจอร์หินสังเคราะห์ ซึ่งช่วยคงความอยู่ในระนาบเดียวกันของส่วนที่เป็นริจิดและจำกัดการเคลื่อนไหวของเฟล็กซ์โดยไม่ก่อให้เกิดความแปรผันของมวลความร้อนเฉพาะที่เหมือนกับที่อาจเกิดจากฟิกซ์เจอร์โลหะ ประเด็นนี้มีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษสำหรับชิ้นส่วนแบบ BGA และแบบระยะพิชช์ละเอียดติดตั้งอยู่ใกล้ขอบเขตรอยต่อระหว่างบอร์ดแข็งและบอร์ดยืดหยุ่น ซึ่งแม้การโก่งตัวเพียงเล็กน้อยก็จะแปรผันโดยตรงไปเป็นความเค้นของจุดประสานบัดกรีที่เกิดจากความไม่อยู่ในระนาบเดียวกันทันทีที่มีการจ่ายไฟครั้งแรก
กฎการเว้นระยะบริเวณโค้งงอ
ข้อต่อบัดกรี วียา และลักษณะทางทองแดงไม่ควรอยู่ภายในบริเวณโค้งงอแบบไดนามิกหรือเขตเปลี่ยนผ่านโดยทันที เมื่อเป็นการออกแบบเพื่อการผลิตเส้นฐาน
ต้องไม่มีแผ่นบัดกรี ขาของอุปกรณ์ หรือฟุตพริ้นต์ SMT อยู่ภายในรัศมีการโค้งงอรวมถึงระยะเผื่อการเปลี่ยนผ่าน (ซึ่งกำหนดตามโครงสร้างเลเยอร์และน้ำหนักทองแดง ไม่ใช่ค่าคงที่สากล)
ทองแดงในบริเวณโค้งงอของแผ่นยืดหยุ่นควรใช้รูปทรงลายวงจรที่โค้งมน เป็นหยดน้ำ หรือรูปทรงอื่น ๆ ที่ลดความเค้น แทนการใช้มุมแหลมหรือการเปลี่ยนความกว้างของลายวงจรอย่างฉับพลัน
ขอบของแผ่นเสริมความแข็ง (ซึ่งใช้เพื่อเพิ่มความแข็งเฉพาะบริเวณขั้วต่อหรือโซนของคอมโพเนนต์บนแผงวงจรยืดหยุ่น) ควรถูกลบมุมเอียงและยึดติดด้วยกาวที่ตัวมันเองจะไม่กลายเป็นจุดก่อให้เกิดความเค้นตัวใหม่ที่บริเวณขอบปลายของกาว
หากโครงสร้างเลเยอร์อนุญาต น้ำหนักทองแดงที่เปลี่ยนผ่านบริเวณรอยต่อระหว่างส่วนแข็งและส่วนยืดหยุ่นควรเปลี่ยนอย่างค่อยเป็นค่อยไป แทนที่จะเป็นการเปลี่ยนแบบฉับพลัน
แนวทางเหล่านี้เป็นวิธีการออกแบบริจิด-เฟล็กซ์มาตรฐานที่สอดคล้องกับ IPC-2223 ไม่ใช่กฎเฉพาะของใคร แต่เป็นข้อกำหนดที่มักถูกละเมิดบ่อยที่สุดในการออกแบบเลย์เอาต์บอร์ด ATE/Burn-In ครั้งแรกที่ดัดแปลงมาจากการออกแบบบอร์ดแบบแข็งเท่านั้น
การเลือกโลหะผสมบัดกรีเพื่อความทนทานต่อความล้าจากความร้อน
การเลือกใช้โลหะผสมที่จุดเชื่อมแบบ BGA และจุดเชื่อมระยะพิชช์ละเอียดในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากการดัดงอหรือใกล้เคียง มีผลกระทบที่สามารถวัดได้ต่ออายุการใช้งานภายใต้การไ cycling ความร้อน การศึกษาการเร่งรอบการไ cycling ความร้อนที่เผยแพร่ซึ่งเปรียบเทียบโลหะผสมปลอดสารตะกั่วที่ใช้กันทั่วไป เป็นจุดอ้างอิงที่มีประโยชน์ (ข้อมูลการทดสอบที่ตีพิมพ์จากแวดวงวิชาการ/อุตสาหกรรม ไม่ใช่ตัวเลขภายในองค์กร):
SAC305(Sn-3.0Ag-0.5Cu):การศึกษา ATC เชิงเปรียบเทียบบนจุดเชื่อมต่อ BGA พบว่าโลหะผสม SAC305 มีแนวโน้มทนต่อการรับภาระจากการวัฏจักรความร้อนได้นานกว่า SAC105 ซึ่งสะสมความเครียดครีปในอัตราที่เร็วกว่า SAC305 ยังคงเป็นตัวเลือกพื้นฐานที่ใช้กันทั่วไปในกรณีที่ให้ความสำคัญกับความทนทานต่อความล้าจากความร้อนมากกว่าต้นทุนหรือความง่ายในการซ่อมแซม
SAC105 (Sn-1.0Ag-0.5Cu):งานตีพิมพ์ชุดเดียวกันแสดงให้เห็นว่า SAC105 โดยทั่วไปมีอายุการล้าจากความร้อนแบบเร่ง (accelerated thermal fatigue life) ต่ำกว่าบัดกรีที่มีปริมาณเงินสูงกว่าเมื่ออยู่ภายใต้การไซเคิล แม้ว่า SAC105 จะให้ข้อดีในด้านความทนทานต่อแรงกระแทก/การตกกระแทกทางกล ซึ่งเป็นการแลกเปลี่ยนที่มีความสำคัญมากกว่าสำหรับผลิตภัณฑ์แบบพกพา มากกว่าสำหรับฮาร์ดแวร์ ATE แบบประจำที่ นักวิจัยที่ศึกษาวิจัย SAC105 โดยทั่วไปยังไม่ได้ตัดตัวมันออกจากการใช้งานทั้งหมด โดยระบุว่า SAC105 อาจยังคงสามารถตอบสนองข้อกำหนดด้านความเชื่อถือได้ในสนามใช้งาน ในกรณีการใช้งานที่ไม่รุนแรงทางความร้อนมากนัก
ระบบไฮบริด SnBi และ SAC-SnBi:การศึกษาวิจัยเชิงเปรียบเทียบที่เผยแพร่เกี่ยวกับการประกอบ BGA ด้วยโลหะผสม Sn-Bi, แบบไฮบริด Sn-Bi/SAC และ SAC พบว่า การประกอบที่ใช้โลหะผสมยูเทคติก SnBi ชนิดเนื้อเดียวกันสามารถแสดงความทนทานต่อการไซเคิลความร้อนได้ดีที่สุดในบรรดาระบบโลหะผสมที่ทดสอบ ขณะที่รอยต่อแบบผสม/ไฮบริด SAC-SnBi (ลูกบอล SAC รีโฟลว์ร่วมกับพาสต์ SnBi) กลับแสดงอายุความล้า (fatigue life) ที่สั้นกว่าในการศึกษาเดียวกัน ซึ่งเป็นความแตกต่างที่สำคัญ เพราะ “การใช้ SnBi” และ “การใช้รอยต่อไฮบริด SAC/SnBi” ไม่ถือว่าเทียบเท่ากันจากมุมมองด้านความล้า
ข้อสรุปเชิงปฏิบัติสำหรับบอร์ด Burn-In/ATE: การเลือกโลหะผสมที่จุดเชื่อมใกล้บริเวณโค้งงอควรให้สอดคล้องกับโปรไฟล์ความร้อนจริงและจำนวนรอบการทำงานที่บอร์ดจะเผชิญระหว่างการใช้งาน ไม่ใช่การเลือกโดยอัตโนมัติจากสูตรกระบวนการ SMT แบบอเนกประสงค์.
การตรวจสอบวงปิด: การจัดการจุดบอดของแผ่นวงจรรวมแบบแข็ง-ยืดหยุ่น
เรขาคณิตแบบริจิด-เฟล็กซ์ก่อให้เกิดความท้าทายในการตรวจสอบที่บอร์ดแข็งแบบแบนไม่มี ได้แก่ ความไม่ต่อเนื่องของความสูงที่จุดต่อระหว่างส่วนแข็งกับส่วนเฟล็กซ์ ความเป็นไปได้ที่บริเวณเฟล็กซ์จะเอียงบนแท่นตรวจสอบ และการเกิดเงาบังที่ขอบตัวเสริมความแข็ง
3D SPIใช้ก่อนการรีโฟลว์เพื่อตรวจสอบปริมาณและตำแหน่งของบัดกรีที่จุดเชื่อมใกล้บริเวณรอยต่อระหว่างบอร์ดแข็งและเฟล็กซ์ ซึ่งการปล่อยบัดกรีอาจไม่สม่ำเสมอเนื่องจากความแปรผันของช่องว่างระหว่างสเตนซิลกับบอร์ดในบริเวณที่มีการลดระดับ
3D AOIทำงานแบบวงปิดกับข้อมูล SPI ตรวจสอบตำแหน่งของชิ้นส่วนหลังการวางและหลังการรีโฟลว์ ความเรียบเสมอของขา และรูปทรงของบ่าบัดกรี โดยให้ความสนใจเป็นพิเศษกับชิ้นส่วนที่อยู่ติดกับโซนโค้งงอซึ่งเป็นบริเวณที่เกิดข้อบกพร่องจากการบิดงอรวมตัวกัน
เอ็กซเรย์ออฟไลน์พร้อมความสามารถในการทำมุมเอียงแก้ไขปัญหาในบริเวณที่ภาพเอกซเรย์แบบ 2D มุมมองจากด้านบนไม่สามารถแยกแยะได้ดีนัก — การเกิดโพรง (voiding) ใต้ตัวแพ็กเกจ BGA และ QFN ที่อยู่ใกล้ขั้นต่อของแผ่นวงจรรวมแบบแข็ง‑ยืดหยุ่น ซึ่งรูปทรงเรขาคณิตอาจบดบังรูปแบบของโพรงเมื่อมองจากด้านบนในมุมมองตรง
MES อัจฉริยะพร้อมการตรวจสอบย้อนกลับ UID และการมาร์คด้วยเลเซอร์เชื่อมโยงผลการตรวจสอบของแต่ละบอร์ด รวมถึงบันทึกช่องว่างจากการเอกซเรย์สำหรับแพ็คเกจ BGA/QFN เข้ากับรหัสประจำตัวบอร์ดที่ไม่ซ้ำกัน ซึ่งมีความสำคัญสำหรับลูกค้า ATE/Burn-In ที่ต้องการเชื่อมโยงประวัติการผลิตและการตรวจสอบของบอร์ดเฉพาะกับความล้มเหลวที่เกิดขึ้นภาคสนามหรือระหว่างการรับรองในภายหลัง
JESD22-A104 และการตัดสินความล้มเหลว
JESD22-A104 เป็นมาตรฐาน JEDEC ที่ถูกอ้างอิงบ่อยที่สุดสำหรับการทดสอบคุณสมบัติการไชเคิลอุณหภูมิของเซมิคอนดักเตอร์และแอสเซมบลีในระดับบอร์ด โดยกำหนดโปรไฟล์การไชเคิล (ขีดสุดของอุณหภูมิ อัตราการไต่ระดับอุณหภูมิ เวลาแช่อุณหภูมิ) และจัดเตรียมกรอบการทำงานที่ใช้ในการสร้างและรายงานข้อมูลรอบการทำงานจนกระทั่งเกิดความล้มเหลว สำหรับบอร์ด Burn-In/ATE แบบ rigid-flex การมอนิเตอร์ความต่อเนื่องทางไฟฟ้าระหว่างการไชเคิล (แทนที่จะตรวจสอบเฉพาะตอนสิ้นสุดการทดสอบ) เป็นวิธีที่มีความไวมากกว่าในการตรวจจับการเปิดวงจรแบบไม่ต่อเนื่องที่จุดเชื่อมบริเวณโค้งงอก่อนที่มันจะกลายเป็นความล้มเหลวแบบถาวร — การใช้เกณฑ์ความล้มเหลวแบบดูจากค่าความต้านทานที่เพิ่มขึ้น ไม่ใช่เฉพาะเงื่อนไขที่เปิดวงจรเต็มรูปแบบเท่านั้น ถือเป็นเกณฑ์ที่เคร่งครัดกว่า และสอดคล้องกับวิธีที่ข้อมูลเชิงเปรียบเทียบ SAC/SnBi ที่เผยแพร่ส่วนใหญ่ที่อ้างถึงข้างต้นใช้ในการนิยามคำว่า “ความล้มเหลว” ตั้งแต่แรก
กฎ DFM ห้าข้อสำหรับบอร์ด Rigid-Flex สำหรับ ATE/การเบิร์นอิน
ให้คงตำแหน่งจุดบัดกรีทั้งหมด วียา และฟุตพริ้นต์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้อยู่ภายนอกรัศมีการดัดงอรวมถึงระยะเผื่อการเปลี่ยนผ่านที่กำหนดไว้สำหรับโครงสร้างเลเยอร์เฉพาะ
ระบุรูปทรงคอปเปอร์ในโซนดัดที่มีลักษณะลดความเค้น (มุมโค้งมน/ทรงหยดน้ำ) โดยหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของความกว้างลายวงจรหรือความหนาทองแดงที่บริเวณรอยต่อระหว่างส่วนแข็งและเฟล็กซ์
เลือกโลหะผสมบัดกรีสำหรับข้อต่อที่อยู่ติดกับบริเวณโค้งให้สอดคล้องกับโปรไฟล์การไซเคิลความร้อนจริงและจำนวนรอบที่คาดการณ์ไว้ แทนการใช้โลหะผสมแบบอเนกประสงค์เป็นค่าเริ่มต้น
รองรับบริเวณแบบยืดหยุ่นผ่านกระบวนการรีโฟลว์ด้วยอุปกรณ์จับยึดที่ออกแบบมาเพื่อควบคุมความเป็นระนาบเดียวกัน และตรวจสอบความแบนราบหลังรีโฟลว์ให้ถูกต้องก่อนดำเนินการตรวจสอบต่อ
สร้างขอบเขตการตรวจสอบด้วย 3D SPI, ระบบ AOI แบบ 3 มิติวงปิด และเอกซเรย์มุมเอียง ให้ครอบคลุมจุดบอดทางเรขาคณิตเฉพาะที่เกิดจากขั้นตอน rigid‑flex ไม่ใช่เพียงแค่ใช้ขั้นตอนการตรวจสอบแผ่นวงจรมาตรฐานแบบแบนเท่านั้น
หากคุณกำลังเริ่มใช้งานบอร์ดริจิด–เฟล็กซ์สำหรับแอปพลิเคชัน Burn-In หรือ ATE และต้องการให้มีการตรวจทานเพิ่มเติมเกี่ยวกับเลย์เอาต์บริเวณโค้งงอ การเลือกโลหะผสม หรือความครอบคลุมของการตรวจสอบ ก่อนที่จะส่งไปผลิตทีมวิศวกรรมของ PCBCartสามารถตรวจสอบ stack-up และไฟล์ DFM ของคุณได้เป็นส่วนหนึ่งของการเสนอราคาของโครงการ
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•ปรับปรุงความคล่องตัวในการประกอบและเพิ่มความเชื่อถือได้ด้วยแผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นและแบบยืดหยุ่น-แข็ง
•การประยุกต์ใช้แผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นและแบบยืดหยุ่น-แข็ง
•แผงวงจรพิมพ์แข็ง-ยืดหยุ่นความเชื่อถือได้สูงสำหรับเครื่องมือวิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์
•AOI กับการตรวจสอบด้วยเอ็กซเรย์: แบบไหนเหมาะกับการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของคุณมากกว่ากัน?
