วัสดุประสิทธิภาพสูงสำหรับการออกแบบ ATE และ Load Board

บทนำเกี่ยวกับวัสดุ PCB ของ ATE

ประสิทธิภาพของวัสดุส่งผลโดยตรงต่อความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของการทดสอบในการใช้งานอุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ ต่างจากแผงวงจรมาตรฐาน วัสดุ ATE PCB ต้องรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณตลอดรอบการทดสอบหลายรอบ ขณะเดียวกันก็ต้องทนต่อแรงกดเชิงกลจากการสัมผัสหัววัดซ้ำๆ คุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุเหล่านี้กำหนดว่าสัญญาณความเร็วสูงจะเข้าถึงจุดทดสอบได้โดยไม่เกิดการผิดเพี้ยนหรือไม่ ซึ่งทำให้การเลือกใช้วัสดุเป็นปัจจัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของระบบทดสอบ

แผงวงจรพิมพ์เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปให้ความสำคัญกับความคุ้มค่าและความน่าเชื่อถือตามมาตรฐาน แต่แผงวงจรทดสอบทำงานภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน การใช้งาน ATE ต้องการวัสดุที่รักษาคุณภาพสัญญาณที่ความถี่เกิน 10 GHz ขณะเดียวกันก็รองรับรูปแบบการกำหนดเส้นทางหนาแน่นที่จำเป็นสำหรับการทดสอบอุปกรณ์สมัยใหม่

ข้อกำหนดหลักสำหรับวัสดุ PCB ATE ในสภาพแวดล้อมการทดสอบ

การส่งสัญญาณความเร็วสูง

ความสมบูรณ์ของสัญญาณมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อวัสดุ PCB ของเครื่องทดสอบอัตโนมัติ (ATE) ส่งสัญญาณทดสอบที่ความถี่หลายกิกะเฮิร์ตซ์ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ (Dk) และค่าตัวประกอบการสูญเสียต่ำสุด (Df) ช่วยป้องกันการเสื่อมคุณภาพของสัญญาณในสายส่ง ทำให้มั่นใจได้ว่าการวัดที่แม่นยำจะส่งไปถึงอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ การเลือกวัสดุส่งผลโดยตรงต่อความเสถียรของการควบคุมอิมพีแดนซ์ตลอดเส้นทางสัญญาณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแผงโหลดที่เชื่อมต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเครื่องทดสอบกับอินเทอร์เฟซของโพรบ

ความทนทานต่ออุณหภูมิสำหรับแผ่น Burn-In

การทดสอบการเบิร์นอินทำให้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ต้องทนอุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน ซึ่งต้องใช้วัสดุ ATE PCB ที่มีเสถียรภาพทางความร้อนสูงเป็นพิเศษ วัสดุต้องคงความแม่นยำของขนาดและคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่อุณหภูมิ 125-150°C โดยไม่เกิดการแตกหรือบิดงอ

ค่าอุณหภูมิเปลี่ยนสถานะแก้ว (Tg) ที่สูงกว่า 170°C ช่วยให้มั่นใจได้ว่าแผ่นเบิร์นอินจะผ่านวงจรความร้อนหลายร้อยรอบ ในขณะที่ยังคงรักษาระดับการคงตัวระหว่างชั้นของแผ่น ความทนทานต่อความร้อนนี้ทำให้วัสดุเกรดทดสอบแตกต่างจากแผ่นลามิเนต PCB มาตรฐาน

เสถียรภาพทางกลในบอร์ดขนาดใหญ่

บอร์ดโหลดและการ์ดโพรบมักมีขนาดเกินมาตรฐานของ PCB โดยบางรุ่นมีขนาดตั้งแต่ 500 มม. ถึง 700 มม. วัสดุ PCB ของ ATE ต้องทนทานต่อการบิดงอในรูปแบบขนาดใหญ่เหล่านี้ เพื่อรักษาการจัดตำแหน่งหัววัดกับแผ่นรองให้แม่นยำระหว่างการทดสอบ การจับคู่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ระหว่างวัสดุและโครงสร้างเสริมแรงช่วยป้องกันการดริฟต์ของมิติ ซึ่งจะส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของการสัมผัสในการทดสอบ

วัสดุ PCB ATE ประสิทธิภาพสูงทั่วไป

Megtron 6 และ Megtron 7 สำหรับการใช้งานความถี่สูง

Megtron 6ถือเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการใช้งาน ATE ความถี่สูงที่ต้องการการสูญเสียสัญญาณน้อยที่สุด วัสดุเคลือบแบบสูญเสียต่ำนี้มีค่าตัวประกอบการสูญเสียต่ำกว่า 0.005 ที่ 10 GHz ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับแผงวงจรที่ใช้ในการทดสอบอุปกรณ์ขั้นสูง

Megtron 7ขยายขีดความสามารถเหล่านี้ด้วยค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่ต่ำกว่า (Dk ประมาณ 3.3 ที่ 10 GHz) รองรับการส่งสัญญาณในแพลตฟอร์มทดสอบรุ่นใหม่ที่ทำงานในช่วงความถี่เกิน 20 GHz วัสดุทั้งสองชนิดรักษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เสถียรแม้ในสภาวะอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปซึ่งพบได้ในระหว่างการทดสอบในกระบวนการผลิต

ลามิเนตชนิดพิเศษลดการสูญเสีย ลามิเนตชนิดพิเศษลดการสูญเสีย และ 3003

แผ่นลามิเนตความถี่สูงชนิดพิเศษที่มีการสูญเสียต่ำ ตอบโจทย์ความต้องการวัสดุ PCB สำหรับการทดสอบอัตโนมัติ (ATE) ที่ต้องการคุณสมบัติทางไดอิเล็ก ทริกที่สม่ำเสมอ แผ่น ลามิเนตชนิดพิเศษที่มีการสูญเสียต่ำนี้มีคุณสมบัติในการแปรรูปคล้ายกับ FR-4 มาตรฐาน ในขณะที่ยังคงรักษาค่าความคลาดเคลื่อนของค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่แคบตลอดช่วงความถี่และอุณหภูมิ

แผ่นลามิเนตชนิดพิเศษที่มีการสูญเสียต่ำให้โครงสร้างที่เติมเซรามิกสำหรับการใช้งานที่ต้องการความเสถียรของมิติที่เหนือกว่าในอุปกรณ์ทดสอบไมโครเวฟและแผงวงจรโพรบ RF ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ของแผ่นลามิเนตชนิดพิเศษที่มีการสูญเสียต่ำนั้นใกล้เคียงกับทองแดง ช่วยลดความเครียดจากความร้อนในรูทะลุที่ชุบแล้ว

โพลีอิไมด์และ FR-408HR สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง

การใช้งานที่อุณหภูมิสูงแบบเบิร์นอินต้องอาศัยวัสดุ PCB ATE ที่ทำจากโพลีอิไมด์ ซึ่งสามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงมาก วัสดุเหล่านี้ยังคงความสมบูรณ์ของโครงสร้างที่อุณหภูมิใช้งานต่อเนื่อง 150°C ถึง 200°C โดยมีอุณหภูมิเปลี่ยนสถานะแก้วสูงกว่า 250°C

FR-408HR นำเสนอโซลูชันระดับกลางที่มอบประสิทธิภาพทางความร้อนที่เหนือกว่า (Tg 180°C) เหนือกว่ามาตรฐาน FR-4 ทั่วไป พร้อมทั้งยังคงความเข้ากันได้กับกระบวนการผลิต PCB ทั่วไป วัสดุนี้เหมาะสำหรับแผงวงจรแบบเบิร์นอินที่ทำงานในช่วงอุณหภูมิปานกลาง 125°C ถึง 150°C

Panasonic R-5775(N) สำหรับบอร์ดโหลดหลายชั้น

โครงสร้างแผ่นรับน้ำหนักแบบหลายชั้นที่ซับซ้อนจำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะแก้วสูงและคุณสมบัติการขยายตัวในแกน Z ต่ำ Panasonic R-5775(N) ตอบโจทย์ความต้องการเหล่านี้ด้วยค่า Tg ที่ 180°C และคุณสมบัติการขยายตัวที่ควบคุมได้ ซึ่งป้องกันการแตกร้าวแบบบาร์เรลระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ระบบวัสดุนี้รองรับจำนวนชั้นที่มากกว่า 30 ชั้น ขณะเดียวกันก็รักษาความแม่นยำในการลงทะเบียนซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับอาร์เรย์แผ่นทดสอบความหนาแน่นสูง คุณสมบัติ CTE ต่ำช่วยให้มั่นใจได้ถึงเสถียรภาพเชิงมิติในการออกแบบแผ่นโหลดขนาดใหญ่

การเลือกวัสดุตามประเภทบอร์ดสำหรับการใช้งาน ATE

การเลือกวัสดุ ATE PCB ที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับฟังก์ชันเฉพาะของบอร์ดภายในระบบทดสอบ บอร์ดแต่ละประเภทจะต้องเผชิญกับสภาวะทางไฟฟ้า ความร้อน และกลไกที่แตกต่างกัน ซึ่งกำหนดคุณสมบัติของวัสดุที่เหมาะสมที่สุด

แผงวงจรโหลดได้รับประโยชน์สูงสุดจากคุณลักษณะของ Megtron 6 เนื่องจากทำหน้าที่ส่งสัญญาณในช่วงความถี่กิกะเฮิร์ตซ์ระหว่างช่องสัญญาณของเครื่องทดสอบและอินเทอร์เฟซของอุปกรณ์แผงวงจรโพรบต้องการวัสดุที่รองรับความสามารถในการกัดเส้นละเอียด (เส้นลายวงจรละเอียดถึง 50 ไมโครเมตร) และการสร้างรูเชื่อมต่อสำหรับอาร์เรย์หน้าสัมผัสความหนาแน่นสูง

แผงวงจรเบิร์นอินทำงานอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูง จึงจำเป็นต้องใช้วัสดุโพลีอิไมด์ในการรักษาความน่าเชื่อถือตลอดวงจรการสัมผัสความร้อนที่ยาวนาน 48 ถึง 168 ชั่วโมง

การพิจารณาเรื่องการผลิตและต้นทุนสำหรับวัสดุ PCB ATE

การควบคุมการเคลือบสำหรับแกนที่มีการสูญเสียต่ำ

การประมวลผลวัสดุ PCB ATE ที่มีการสูญเสียต่ำจำเป็นต้องมีพารามิเตอร์การเคลือบที่แม่นยำเพื่อรักษาคุณสมบัติทางไฟฟ้า รอบการกดต้องทำให้เรซินไหลได้อย่างสมบูรณ์โดยไม่ทำให้วัสดุเสื่อมสภาพมากเกินไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับลามิเนตขั้นสูงอย่าง Megtron 7 ซึ่งประวัติความร้อนส่งผลต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้า

พารามิเตอร์การเคลือบที่สำคัญ ได้แก่:

• อัตราการให้ความร้อนที่ควบคุมได้ – การปรับระดับอุณหภูมิแบบค่อยเป็นค่อยไปช่วยป้องกันการเสื่อมสภาพของเรซินและรักษาคุณลักษณะ Df ต่ำ
• โปรไฟล์แรงดันที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม – การกระจายแรงดันที่สมดุลช่วยให้เรซินไหลสม่ำเสมอโดยไม่สัมผัสเส้นใย
• การควบคุมบรรยากาศ – การเคลือบสภาพแวดล้อมไนโตรเจนช่วยลดผลกระทบของออกซิเดชันต่อการส่งสัญญาณ

ความเข้ากันได้ของพื้นผิว

การใช้งาน ATE ความถี่สูงจำเป็นต้องมีการเคลือบผิวที่ลดการสูญเสียเอฟเฟกต์ผิว (skin effect loss) ให้น้อยที่สุด พร้อมทั้งรองรับการสัมผัสหัววัดที่เชื่อถือได้ ทองคำแช่นิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (ENIG) ยังคงเป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับแผงโหลด โดยให้ค่าความเรียบผิวและความต้านทานการสัมผัสต่ำกว่า 5 มิลลิโอห์มที่ยอดเยี่ยม

เงินแบบจุ่ม (Immersion Silver) มีประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีขึ้นที่ความถี่สูง แต่จำเป็นต้องมีการจัดเก็บอย่างระมัดระวังเพื่อป้องกันการหมอง การใช้งานบางประเภทใช้การชุบทองแข็งบริเวณที่สัมผัส เพื่อทนต่อการสึกหรอเชิงกลจากการใช้งานหัววัดซ้ำๆ

การเพิ่มประสิทธิภาพด้านต้นทุนและประสิทธิภาพ

ต้นทุนวัสดุสำหรับการใช้งาน ATE PCB อาจสูงกว่าวัสดุบอร์ดมาตรฐานถึงสามถึงห้าเท่า วิศวกรต้องสร้างสมดุลระหว่างความต้องการด้านประสิทธิภาพกับข้อจำกัดด้านงบประมาณ โดยสำรองวัสดุคุณภาพสูงไว้สำหรับชั้นสัญญาณสำคัญ ขณะเดียวกันก็ใช้แกน FR-4 มาตรฐานในตำแหน่งสแต็กอัปที่ไม่สำคัญ

โครงสร้างแบบไฮบริดที่ผสานชั้นผิวความถี่สูงเข้ากับชั้นในแบบดั้งเดิม ช่วยลดต้นทุนวัสดุโดยรวมได้ 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการทดสอบ แนวทางนี้ช่วยรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณบนชั้นเดินสายภายนอก ขณะเดียวกันก็ใช้วัสดุที่คุ้มค่าสำหรับแผงจ่ายไฟและแผ่นกราวด์

สรุป

การเลือกใช้วัสดุ PCB ATE ที่เหมาะสมเป็นรากฐานของประสิทธิภาพระบบทดสอบที่เชื่อถือได้ตลอดกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ แผงวงจรโหลดความถี่สูงจำเป็นต้องใช้วัสดุไดอิเล็กทริกที่มีการสูญเสียต่ำเพื่อรักษาคุณภาพของสัญญาณ ในขณะที่แผงวงจรเบิร์นอินต้องอาศัยวัสดุที่ทนความร้อนสูงเพื่อความทนทานต่อความร้อน การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติของวัสดุและฟังก์ชันการทำงานของแผงวงจรช่วยให้วิศวกรสามารถกำหนดโครงสร้างที่เหมาะสมและตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพได้

Highleap Electronics นำเสนอโซลูชัน ATE PCB แบบครบวงจร :

• ความเชี่ยวชาญด้านวัสดุขั้นสูง – การสนับสนุนด้านวิศวกรรมสำหรับการเลือกใช้ Megtron, ลามิเนตชนิดพิเศษที่มีการสูญเสียต่ำ และพื้นผิวโพลีอิไมด์ตามข้อกำหนดการทดสอบของคุณ

• การผลิตที่แม่นยำ – กระบวนการเคลือบแบบควบคุมและการจัดการอิมพีแดนซ์สำหรับแผงวงจรโหลดความถี่สูงถึง 40 GHz

• การประกันคุณภาพ – การตรวจสอบขนาดและการทดสอบทางไฟฟ้าเพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำของการจัดตำแหน่งหัววัดบนแผงวงจรขนาดใหญ่

ติดต่อทีมวิศวกรของเราเพื่อหารือเกี่ยวกับข้อกำหนดด้านวัสดุของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับเครื่องทดสอบอัตโนมัติ (ATE) และรับคำแนะนำโดยละเอียดเกี่ยวกับการจัดเรียงชั้นวัสดุสำหรับแพลตฟอร์มการทดสอบของคุณ