電子零件掉落或錫裂一定是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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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?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

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

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,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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