電子零件掉落或BGA錫裂一定是SMT製程問題迷思(5)？增加焊錫的接觸面積以增加焊錫強度

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21 3 月, 2018

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BGA封裝的【SMD(Solder Mask Defined)】與【NSMD(Non Solder Mask Defined)】焊墊設計對於焊錫能力有什麼影響？這兩種焊墊又對PCA的結合力有何影響？

前一篇文章我們談到了《如何增加PCA結合力的方法》之《PCB表面處理改用「銅」基地》。今天我們來談談BGA封裝的【SMD(Solder Mask Defined)】與【NSMD(Non Solder Mask Defined)】焊墊設計對於焊錫能力有什麼影響？這兩種焊墊又對PCA的結合力有何影響？

二、加大零件腳焊錫的面積

請注意：這裡指的是加大零件腳焊錫的面積，而不是增加焊錫量。

閱讀這篇文章前，建議您請先參考工作熊之前寫的這篇【電子零件焊接強度的觀念澄清】文章。

工作熊必須再強調一次：「焊接強度基本上與焊接的面積成正比」，在不考慮更換錫膏配方及電路板表面處理的前提下，想增強零件焊接強度的要點有二：

1、增加零件腳焊錫的接觸面積。不是體積喔！

增加零件腳焊錫的接觸面積

如果僅在BGA的焊球處加入更多的焊錫量，基本上是不會增加其焊錫強度的，因為其焊錫面積不變。對於有引腳（如QFP）或有側面焊點（如電容）的SMD零件，增加焊錫量或許可以增加其焊錫強度，因為這些SMD零件的引腳有側邊焊點有機會可以吃錫，如果錫量增加後可以讓焊錫在焊腳側邊形成完好的弧度(curve)，相對的就可以有效增加焊錫強度，就像是樹木或電線桿怕颱風颳倒在側面加支柱類似，機構設計時在轉彎處加R角也是一樣的道理，而弧形的焊錫則可以更有效分散應力。

所以，如果增加焊錫量可以讓焊錫爬上焊腳的側邊，甚至讓側邊焊錫爬得更高至完全覆包覆住焊腳，那麼其強度一定會大大的增加，這比只有焊接在焊腳底部要好太多了，因為你增加了焊錫面積，而且其焊錫結構也被加強了。

可惜大部分SMD零件的引腳側壁不是因為成本考量而沒有做電鍍處理直接裸銅，造成容易氧化吃不上錫，要不然就是電鍍處理了，但是腳間距卻太小，造成PCB焊墊的設計怕短路無法擴大，以至於焊錫無法完全爬上其側邊並形成完美的弧型。

既然焊腳的側壁爬錫可以增加焊錫面積與焊錫強度，所以很多人就在接地腳(GND)的地方做文章，比如說在板對板連接器(B2B connector)兩端的接地片增加圓孔或半圓孔形狀，或是將其設計成"U"字型都有機會可以增加其焊錫強度。

既然談到了加大焊錫面積有助增強焊錫強度，就不得不稍微提一下BGA封裝在PCB端的SMD/NSMD焊墊設計對焊錫影響之優劣。

請注意不要將這裡的【SMD (Solder Mask Defined)焊墊】與【SMD (Surface Mount Device)零件】搞混了喔！

假設SMD與NSMD焊墊設計裸露出來的面積是一樣的，那麼NSMD焊墊的焊接能力應該會比SMD焊墊來得優，之前說過了，這是因為NSMD焊墊在焊錫時會連焊墊的側壁一起吃到錫，而SMD焊墊則沒有側壁。（NSMD又稱為銅箔定義焊墊「Copper Defined pad」）

增加零件腳焊錫的接觸面積02

但可別因為這樣就急著將所有的BGA焊墊都改成NSMD焊墊設計喔！有一好就沒二好啊！這個世界是公平的，既使你看到的SMD及NSMD所祼露出來的焊墊表面似乎有著一樣的大小，但SMD焊墊的實際尺寸其實比NSMD要來得大上許多喔！（視Layout佈線的設計而定），因為SMD的焊墊其實有一大部分只是被綠漆(Solder-Mask)給覆蓋住，不仔細看容易被欺騙而已，就因為NSMD的焊墊尺寸比較小，幾乎只比BGA的錫球大一點點而已，所以SMD可以承受拉拔的能力會比較差，一旦發生BGA錫球破裂時，經常可見NSMD的焊墊是連著錫球一塊兒被拔起的。

就如工作熊之前說過的，應力會自己尋找結合力最脆弱的地方來宣洩，當焊墊從NSMD改成SMD後，焊錫力也跟著增強之後，焊錫IMC層抵抗應力的能力大過了PCB銅箔附著於基材上的結合力時（SMD焊墊尺寸變小了），破裂的地方就轉變成了焊墊與FR4基材之間了。所以工作熊還是認為，如果想徹底解決BGA破裂的問題，應該還是要朝減少應力作用來進行，才有機會得到最好的改善。

所以，結論是NSMD焊墊的吃錫性較SMD焊墊優，而SMD焊墊的焊墊結合力則比NSMD焊墊來得好。

SMD: Solder-Mask-Defined pads（防焊定義焊墊）

NSMD: Non-Solder-Mask-Defined pads（非防焊定義焊墊），又稱為Copper Defined pads（銅箔定義焊墊）

建議延伸閱讀：如何設計加強產品的BGA焊墊強度以防止BGA開裂（SolderMask Defined, SMD）

2.使用通孔焊腳來取代表面貼焊

其實，電子零件採用表面貼焊(Surface mount)的焊錫強度再怎麼改善，其抵抗應力的能力就是那樣，想要再增加焊錫強度就只能利用結構設計，將受到的應力傳導給其他的機構來承受，而最能立竿見影的就是直接將引腳做成直立的穿孔(Plating Hole)設計，這樣就可以將引腳受到的應力再傳導給PCB的孔壁來承受，相對的也可以增加焊錫的強度。較常見的作法是將零件的部份焊腳從表面貼焊製程改成通孔焊接，比如Micro-USB連接器的鐵框焊腳，它基本上還是走SMT製程，只是部份焊腳採用PIH(Paste-In-Hole)製程，最新的Type-C也有連接器廠商出通孔及表面貼焊混合腳的零件。

另外，針對BGA封裝零件，可以考慮將導通孔(vias)放置於PCB端的焊墊上，目的就是在焊墊打上鉚釘以增強焊墊附著於FR4的強度，這就類似房子打地椿防震的道理類似，不過焊墊上的導通孔一定要電鍍填孔，否則BGA的錫球可能會形成孔洞(Void/bubble)問題，嚴重的話甚至會造成枕頭效應(head in pillow)的不良現象。

建議相關閱讀：導通孔在墊(Vias-in-pad)的處理原則

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延伸閱讀：
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

Design(設計), SMT, Soldering(焊錫)
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訪客留言內容（Comments）

首先感謝工作熊大無私地分享，在SMT的領域我是菜鳥，最近都在自我學習，在拜讀您的文章時發現下文，

既使你看到的SMD及NSMD祼露出來的焊墊表面有一樣的大小，但SMD焊墊的尺寸其實比NSMD要來得大上許多（視Layout佈線的設計而定），因為NSMD的焊墊有一大部分只是被綠漆(Solder-Mask)給覆蓋住而已
=>報告工作熊大大，NSMD的焊墊是不是誤key呢

因為NSMD的焊墊為了要裸銅墊，必須進行切割形成溝槽，導致錫可以吃到銅墊側邊，如果我有認知錯誤的話，也懇請您幫忙指正，還是再次感謝您無私地分享

留言 by Ernest fu on 2020/06/29 @ 09:07:50

Ernest,
You are right.
看得很仔細，確實應該是SMD，而不是NSMD。已經改好了，感謝抓錯！
正確應該如下：
【因為SMD的焊墊其實有一大部分只是被綠漆(Solder-Mask)給覆蓋住，不仔細看容易被欺騙而已】

留言 by 工作熊 on 2020/06/29 @ 10:33:02

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