如何從設計端強化BGA以防止其焊點開裂?

BGA的underfill破裂

公司最近有好多同事都在問:『到底BGA要如何設計才可以加強並改善其強度以防止BGA開裂(crack)?』,原來公司內有個高層前幾天也得了柯P上身症候群,在某個產品的開發會議上撂下狠話說:『不要惹我生氣,要是再有客戶抱怨產品有BGA開裂問題,就必須要有人為此負責。』。

其實最該負責的不就是這些高層嗎?既要求產品設計要輕又要薄,還要求要趕進度,把原本十二個月的新產品週期縮短為九個月,現在又壓縮為六個月,而且ID還一直變來變去,進度(Schedule)不能延後,又要產品設計出來完美無缺,這群工程師們就只能賣命、賣肝,人人自危,這公司文化怎麼變成了這個樣子?

其實工作熊在這個部落格裡已經有多篇文章討論關於BGA掉落、焊接不良,以及BGA錫球開裂(crack)的問題了,不過好像還沒有比較完整的整理過『如何從設計端強化BGA防止開裂』的對策。







在開始探討這個議題之前我們得要先了解BGA為何會裂開?先撇開製造的問題,假設所有的BGA錫球都焊接良好、IMC生成良好,但還是發生BGA裂開,其最主要原因應該就是【應力(Stress)】了,工作熊之所以這麼斷定,因為分析過得所有產品,電路板上零件掉落或開裂問題幾乎都與應力有絕對關係。

電路板零件掉落或錫裂的應力(stress)來源有下列幾種:

這裡有幾篇與BGA焊接與掉落有關的文章,建議可以先閱讀一下:

了解BGA零件掉落或錫球開裂跟「應力(stress)」絕對脫離不了關係後,接下來就可以來談談如何從設計端強化BGA並盡量防止開裂,方法說破了也不值錢,就看作不作與怎麼取捨了,兩個方向思考,第一個想辦法降低應力的影響,第二個加強BGA抵抗應力的能力。

下面是幾個可以強化BGA防止開裂的方法:

一、增強PCB抗變形能力

電路板(PCB)變形通常來自高溫回焊(Reflow)所造成的快速昇溫與快速降溫(熱脹冷縮),再加上電路板上分佈不均的零件與銅箔,更惡化了電路板的變形量。

增加電路板抗變形的方法有:

  1. 增加PCB的厚度。如果可以建議盡量使用1.6mm以上厚度的電路板。如果還是得使用0.8mm、1.0mm、1.2mm厚度的板子,建議使用過爐治具來支撐並強化板子過爐時的變形量。雖然可以嘗試降低
  2. 使用高Tg的PCB材質。高Tg意味著高剛性,但是價錢也會跟著上升,這個必須取捨。
  3. 在BGA的周圍加鋼筋。如果有空間,可以考慮像在蓋房子一樣,在BGA的四周打上有支撐力的鐵框來強化其抵抗應力的能力。
  4. 在電路板上灌Epoxy膠(potted)。也可以考慮在BGA的周圍或是其相對應的電路板背面灌膠,來強化其抗應力的能力。

二、降低PCB的變形量

一般來說當電路板(PCB)被組裝到機殼之後應該會受到機殼的保護,可是因為現今的產品越做越薄,尤其是手持裝置,經常會發生外力彎曲或是掉落撞擊時所產生的電路板變形。

想降低外力對電路板所造成的變形,有下列的方法:

  1. 增加機構對電路板的緩衝設計。比如說設計一些緩衝材,既使機殼變形了,內部的電路板仍然可以維持不受外部應力影響。但必須可慮緩衝才的壽命與能力。
  2. 在BGA的周圍增加螺絲或定位固定機構。如果我們的目的只是保護BGA,那麼可以強制固定 BGA附近的機構,讓BGA附近不易變形。
  3. 強化外殼強度以防止其變形影響到內部電路板。

三、增強BGA的牢靠度

  1. 在BGA的底部灌膠(underfill)。
  2. 加大電路板上BGA焊墊的尺寸。這樣會使電路板的佈線變得困難,因為球與球之間可以走線的空隙變小了。
  3. 使用SMD(Solder Mask Designed) layout。用綠漆覆蓋焊墊,可以參考這篇文章【如何設計加強產品的BGA焊墊強度以防止BGA開裂(SolderMask Defined, SMD)
    BGA NSMD SMD_layout
  4. 使用Vias-in-pad(VIP)設計。但焊墊上的孔(via)必許電鍍填孔,否則過回焊時會有氣泡產生,反而容易導致錫球從中間斷裂。這就類似蓋房子打地樁是一樣的道理。可以參考【導通孔在墊(Vias-in-pad)的處理原則
  5. 增加銲錫量。但必須控制在不可以短路的情況下。

工作熊個人強烈建議,如果已經是成品了,最好可以使用【Stress Gauge】找出電路板的應力集中點。如果有困難,也可以考慮使用電腦模擬器來找看看可能的應力會集中在哪裡。

displacement stress_simulation_diagram


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