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

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寫在前面:工作熊這篇文章老實說醞釀了很久,也寫了很久,而且文章篇幅還真的有點長,算了一下,總共分成了13+1篇文章來發表,文章中提到的許多觀念在工作熊的部落格中其實也都是老生常談的議題了,不過工作熊這次算是比較有系統的將之整理出來,所以如果你對這個【電子零件BGA掉落】議題沒有太多興趣~勿入~

已經焊錫好的電子零件之所以會掉落或發生錫裂,其主要原因應該可以歸結為:【應力(stress) > 結合力(bonding-force)】

工作熊其實已經不是一兩次被人家這樣質疑了,我們家的RD,尤其是新進的RD,似乎每次只要一碰到電路組裝板(Printed Circuit Assembly, PCA)上有電子零件掉落(尤其是BGA零件)或是焊錫破裂的問題,第一個反應就是先跑來質疑我們SMT組裝工廠的焊錫一定有問題,而且還會很大聲的要求並希望工廠可以增加錫膏量來增加焊錫強度。這真的是夠了!

更讓工作熊受不了的是,產品明明是已經做過了裸機摔落衝擊測試(drop impact test)或是滾動測試(tumble test)後發生的不良,卻硬要SMT製程拿出個解決辦法增加焊錫強度來克服零件掉落或錫裂的問題。







工作熊首先要澄清一件事,「焊錫的主要目的在連接電子零件與PCB的訊號,而不是用來解決應力及變形的問題」,別本末倒置了。

而且焊錫強度基本上應該與焊接的面積成正比」,若是想增加焊錫強度不是一味的增加焊錫量就可以,而是要增加零件腳的焊錫面積,在PCB焊墊表面處理、焊墊大小或零件焊腳形狀不改變的原則下,僅增加錫膏量是很難增加焊錫強度的,工作熊之前就已經有撰文說明過這個觀念,這裡不再贅述,詳細請參考「電子零件焊接強度的觀念澄清」一文,而判斷焊錫焊接得好不好(吃錫吃得好不好),基本上只要拿去做切片後檢查其IMC的生長分佈得是否均勻就可以知道了,如果IMC沒有問題,那麼再如何要求SMT工廠增加焊錫量都無濟於事。

如果你還不知道IMC是什麼?建議你先看看這篇文章以了解【何謂IMC (Intermetallic Compound)?IMC與PCB焊接強度有何關係】。

其實,已經焊接完成的電子零件之所以會掉落或發生錫裂,其主要原因應該可以歸結為:

【應力(stress) > 結合力(bonding-force)】

電子零件因為受到應力作用,然後從結合力最脆弱的地方開始依序裂開。而「焊錫強度」只是整個PCA「結合力(bonding-force)」的其中一環而已。

如果想要徹底解決電子零件掉落的問題就必須從下面幾個面向來思考與著手改善:

這裡有一個觀念工作熊必須再強調一次,當電路板(PCB)設計完成後,組裝板(PCA)焊錫的結合力基本上也就大致固定下來了,但是應力(Stress)卻是個可變因素,因為應力的來源無法完全受控,比如說產品震動或是不小心摔落地面…等因素,這也說明為何明明吃錫狀態不變,但有些產品就是會發生零件掉落或錫裂,但有些產品則不會,因為它們受到了不同應力的作用,當焊錫的強度不足以抵抗應力時就會發生斷裂。正常來說,產品設計時應該要有安全係數的觀念,工作熊個人建議安全係數至少要有1.2~1.5以上,也就是說產品設計所能承受的應力一定要高於預估應力的1.2~1.5倍以上,因為你永遠不知道產品真正使用時所承受的應力是多少,而且電子零件使用一段時間後其焊接強度也會逐漸劣化變脆,降低其抵抗應力的能力。


「電子零件掉落或錫裂一定是SMT製程問題迷思」系列文章列表:


延伸閱讀:
導通孔在墊(Vias-in-pad)的處理原則
滾筒測試(tumble test)的方法與失效解決對策
如何判斷BGA掉件是SMT工廠製程或是設計問題?
電路板零件掉落,該如何著手分析、判斷並釐清問題點

訪客留言內容(Comments)

本人的工作範圍在PCB電鍍銅,對IMC不是很熟
但常常聽學校老師在用推球的方式來分析金屬層之間的應力強弱
不同的金屬表面處理也會有不同的應力變化
也有說明那些因素會影響焊接介面
資料來源是,元智大學化材所 何政恩教授
以上是不同的看法,用很學術的角度去看

Yulong-Hu,
是的,不同的金屬表面處理與「錫」結合後會得到不一樣的介面金屬共化物,也會獲得不同的結合力,後續的文章會有說明。
不過,重點不是「不同的金屬表面處理」,而是焊錫最終與何者結合成IMC。

幾個問題請教。你的第一點改善方式,增加via
請問你的意思是說在pad盤上多加一個PTH孔位嗎
如果是的話,剛好我上個月也遇到同樣的問題,不過剛好跟你相反
PCB廠打電話跟我說,我畫的PAD點上如果多了導通孔,這樣錫會流入孔內
造成錫黏著無法穩定控制,我想想他說的也有道理
不過今天你提出的方法,剛好相反
請問哪一個是對的?

scott,
其實都沒錯,只是你少看了一個重點:『在焊墊上設計via並塞孔』,焊墊上有via後一定要「塞孔」,而且還要電鍍。建議參考導通孔在墊(Vias-in-pad)的處理原則,可以解釋板廠的看法,不過電鍍塞孔在板廠至少需要多一道製程,所以價錢會比較貴。後續的文章其實會重點提示,不過這裡確實有點漏失,會補上提醒。


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