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如何從設計端強化BGA以防止其焊點開裂？
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在前幾天也得了柯P上身症候群，在某個產品的開發會議上撂下狠話說：『不要惹再我生氣了，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公司高層嗎？既要求產品設計要輕又要薄，還要求要趕進度，把原本12個月的新產品週期縮短為9個月，現在又壓縮為6個月，而且ID還一直變來變去，更要求進度(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過關於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錫球焊接都是良好的、IMC的生長也是良好，但依然還是發生BGA裂開情形，其最主要原因應該就是【應力(Stress)】了，工作熊之所以這麼斷定，是因為分析過所有不良品後發現電路板上零件掉落或開裂問題幾乎都與應力脫離不了關係。
電路板零件掉落或錫裂的應力(stress)來源有下列幾種：
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應力來自內部潛變產生
比如說電路板或BGA封裝經回焊(reflow)高溫時的變形，應力會一直被釋放到達一個平衡點才會停止，這個平衡點也有可能就是錫球裂開的時候。 -
應力來自外部的撞擊或施壓
以手機為例，最可能的外部應力就是就在使用者的口袋內受力彎曲（iPhone6 plus彎曲門事件），或是因為不小心掉落地上所造成的衝擊應力。 -
應力來自環境溫度變化所產生的熱脹冷縮現象
有些地區在冬天的時候室外結冰，當產品從室內有暖氣的環境移動到結冰的室外就會發生激烈的溫度變化；在熱帶地區，室內有冷氣，從室內走到室外就會發生溫度的巨大改變，更別說不小心或是故意把產品放在汽車內了，白天曬太陽溫度升高，夜晚輻射冷卻溫度急速下降。溫度之所以重要還關係到不同的材料會有不同的熱膨脹係數(CTE)，電路板板材的膨脹係數肯定與錫球(solder ball)不同，而且與BGA封裝的材質也不同，試想一般的道路橋樑都會設計「伸縮縫」來降低材料熱脹冷縮的風險，但是電子材料似乎只能盡量找膨脹係數差異比較小的材質來使用。
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：
了解到BGA零件掉落或錫球開裂跟「應力(stress)」絕對脫離不了關係後，接下來我們就可以來談談如何從設計端強化BGA強度並盡量防止其開裂，方法說破了其實也不值錢，就看做不做與怎麼取捨了。兩個方向思考，第一個方法就是想辦法降低應力的影響，第二個方法則是加強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。
增加電路板抵抗變形的方法有：
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：
三、增強BGA的牢靠度
- 在BGA的底部灌膠(underfill)。
※請注意：SMD與NSMD焊墊設計其實各有優劣，採用SMD可以加強焊墊與PCB的結合力，但是卻不利錫球的焊接強度，採用NSMD則會加強焊接強度，但是不利焊墊與電路板的結合力。【實驗比較SMD與NSMD焊墊設計推球及拉力測試對BGA錫裂的影響】、【為了對抗錫球裂開，BGA焊墊應該設計成SMD或NSMD？SMD與NSMD的優缺點】
工作熊個人強烈建議，如果已經是成品，最好可以使用【Strain Gage】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。
請參考：【BGA錫裂，使用應變片(Strain Gauge)量測電路板到底那個環節產生較大變形量】一文。
如果你對BGA錫裂、掉件有興趣，建議閱讀文章：
電子零件掉落或BGA錫裂一定是SMT製程問題迷思(1)？錫裂只是應力大於結合力之必然結果
延伸閱讀：
Micro-USB連接器掉落的解決對策
板對板連接器(B2B connector)掉落的改善措施
電路板零件掉落，該如何著手分析、判斷並釐清問題點
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