如何設計加強產品的BGA焊墊強度以防止BGA開裂(SolderMask Defined, SMD)

兩種PCB的焊墊/焊盤(pad),【Copper Defined Pad Design】與【Solder-mask Defined Pad Design】焊墊/焊盤設計。

隨著公司的產品從桌上型(Desktop)機種漸漸往手持式(Portable)產品移動,公司的產品也越做越小,連PCB也是越做越薄,在設計及製造上所面臨到的挑戰也越來越高。

最近碰上比較棘手的問題是【BGA開裂】,其實之前也有碰到過BGA開裂,只是當時把underfill加上去就解決了問題,這次則是連underfill都裂開了,在還沒找到BGA開裂的真正原因以前,新產品的設計也必須加強焊墊/焊盤的強度設計才行。

剛好板廠有在介紹這種Solder Mask Defined (SMD)防焊開窗限定焊墊大小的設計,可以加強BGA焊墊的強度,也又是可以減少焊墊整片被BGA撕裂拉開的機率,現在就來看看如何設計這種SMD介紹吧!







一般PCB的焊墊/焊盤(pad)有兩種設計,一種是銅箔獨立為焊墊(pad),[solder mask]開窗大於pad,稱為【Copper Defined Pad Design】,這種焊墊設計的優點是焊錫性佳,因為在焊墊的三面都可以吃上錫,而且也可以精準的控制焊墊的位置與大小,另外走線(trace)也比較容易佈線。

一般PCB的焊墊/焊盤(pad)有兩種設計,一種是銅箔獨立為焊墊(pad),[solder mask]開窗大於pad,稱為【Copper Defined Pad Design】或【Non-SolderMask Defined】,這種焊墊設計的優點是焊錫性佳,因為在焊墊的三面都可以吃上錫,而且也可以精準的控制焊墊的位置與大小,另外走線(trace)也比較容易佈線,因為焊墊尺寸相對比較小。

BGA pad with copper defined pad design

但是缺點是焊墊銅箔比較容易被外力撕裂開來,因為焊墊較小,所以焊墊的附著於電路板的力道也就相對較小。

這種BGA焊墊設計通常需要伴隨使用Underfill來加強落下(drop test)時BGA承受外力的能力。

一般PCB的焊墊/焊盤(pad)有兩種設計,另一種焊墊的設計是將[solder mask](綠漆/綠油)覆蓋於銅箔上並露出沒有被mask的銅箔形成焊墊(pad),這種焊墊設計稱為【Solder-mask Defined Pad Design】。

另一種焊墊的設計是將[solder mask](綠漆/綠油)覆蓋於銅箔上並露出沒有被mask的銅箔來形成焊墊(pad),這種焊墊設計稱為【Solder-mask Defined Pad Design,SMD】。這種焊墊設計可以有效加強焊墊的強度(strength),並且強化落下測試(drop test)時的承受能力。依據實驗測試結果,這種【Solder-mask Defined Pad Design】焊墊設計的拉力承受能力比【Copper Defined Pad Design】提昇了53%。

BGA with solder-mask defined pad design

但是,相對的其缺點就是焊錫性會受到影響,因為[Solder Mask](綠漆)會受到回焊爐高溫的影響而膨脹,進而影響到錫膏的吃錫面積,另一個問題則是綠漆的印刷的位置定位比銅箔來得差,也就是綠漆印刷的偏差量比銅箔來的大多了,有可能會影響到焊墊的大小及相對位置。再來是因為銅箔的面積加大了,所以相對的可以走線的區域也就變小了,走線變得更困難。

不過,即使【Solder-mask Defined Pad Design】有這些焊錫性變差及走線變難的問題,對於手持式的產品還是很值得去賞試,畢竟這種設計可以提昇BGA整體的強度,提高信賴度,如果可以因此不用加點Underfill膠,那就Perfect了。

下面的圖片說明【Solder-mask Defined Pad Design】及【Copper Defined Pad Design】焊墊設計的拉力測試結果(155-101)/101=53%。

Pull force for solde-rmask defined pad design

Pull force for copper defined pad design


延伸閱讀:
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BGA枕頭效應(head-in-pillow)發生的可能原因
如何判斷BGA掉件是SMT工廠製程或是設計問題?

訪客留言內容(Comments)

你好,关于你上面所展示的两组拉力测试数据我不是很理解,with laser和without laser指的是什么意思,两者有什么区别?能否麻烦介绍一下,谢谢了。

Evin;
With跟without laser,表示pad有無雷射鑽孔的意思。

你好,首先感謝您的文章,讓我受益良多
想請教一下您文章中提NSMD較SMD 走線(trace)也比較容易佈線,有點不太能理解,這部分可以麻煩您幫忙多加說明嗎?感謝!!!

allen;
這是因為NSMD的焊墊尺寸相對SMD的焊墊尺寸來得比較小,也就有比較多的空間可以佈線。

前辈:
晚辈管中窥豹已久,受益颇丰,实属尔无名之师也!
今日得闲,偶遇其文,朵颐之下,岂不快哉!遥想当年小弟人轻言微,力荐RD顺之而为,而不得从,遂加胶而固之,后返修不易,弃而废之,惜之,叹之!
往事云烟逝,笑看眼前人!
见其文,有一事不明,请赐教!
拉之力,受之面,面之力,三者何为关联,其算法如何,还望详解!

十日十韦丘山;
你這是來說書的~XD!
說真的,目前僅能就那邊脆弱就加強哪邊,真要算出個數字,只能留給力學專家去傷腦筋了。
受力面積越大所能承受的拉力當然也就越大囉!
BGA掉落不外乎落下或振動造成,大體以落下掉落居多。
另外,板子變型彎曲也是可能原因之一。

請問如果是焊墊(PAD)尺寸不變的前提下

開窗跟不開窗,又是哪個優跟劣呢???

devidevi;
這個就是依照焊墊露出尺寸不變的評估。
其實想也知道,焊墊尺寸越大,附著力就越大。

抱歉,說明不完整

1.我剛剛想了一下,焊墊直徑0.25mm不變的前提下
採SMD開窗縮小,使PAD露出變為0.2mm(甚至更小),
似乎是沒有意義的行為(PAD過小問題會更多)
(不考慮焊墊脫落的情況)

2.此篇的重點是NSMD(焊墊脫落)>改採SMD(加強焊墊)(露出尺寸不變)
並不代表SMD比NSMD設計好,還是要看設計需求是什麼??

3.我現在遇到的是4x4mm QFN,中心焊墊2.6×2.6mm
前人採用SMD設計,製程端反映會有短路問題
我中心焊墊改採NSMD(或其他方式)目的是減少錫量
跟本文的設計目的不同,不能以本文判斷SMD設計比NSMD好

4.只要能解決問題,就是好的設計

抱歉剛剛沒詳細思考過就發問,希望我這樣的理解沒錯,謝謝

devidevi,
你的問題是短路,看來應該是QFN中間接地焊墊與功能腳短路?只是這個機率應該很小。
所以你的問題應該無關SMD與NSMD設計,基本上是錫膏量印刷的關係。
如果硬要沾上邊,應該就是板廠在製作SMD的露出焊墊位置的精度控制比銅箔位置差的問題,所以會造成錫膏印刷偏位,實際上不是錫膏偏位,而是solder mask印刷偏位。這個SM偏位如果又是多連板則情況會更差。
如果是這樣,我會建議你參考一下這篇文章【 電路板的防焊層印刷偏移會造成BGA短路嗎?


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