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

你知道什麼是SMD(Solder-Mask Defined)NSMD(Non-Solder-Mask-Defined)焊墊/焊盤設計嗎?SMD與NSMD的焊墊設計各有什麼優缺點?BGA的焊墊應該設計成SMD或NSMD才能提昇對抗應力的衝擊而不會破裂呢?

新官上任三把火,公司內部中高層人事異動後,新人總喜歡出些新點子來彰顯自己的存在價值,老美常見的戲碼,也總喜歡推翻前人的決定,認為前人的決定都是狗屎。這次熊熊燃燒起來一把火是要求以後新產品PCB設計時「BGA的焊盤設計都應該採用NSMD來取代SMD」,他認為這樣可以增強BGA抵抗應力的能力,有助通過產品驗證的「摔落測試(drop test)」與「滾動測試(tumble test)」。







因為這位長官覺得在同樣裸露出來的銅箔面積下,NSMD的吃錫面積比SMD焊墊設計來得多,NSMD焊墊設計的焊墊表面與側面都可吃到錫,但是SMD焊墊設計則只有表面焊墊能吃到錫,所以NSMD要比SMD可以承受更大的應力衝擊或板彎量。

理論上如果僅就「焊錫強度」來看,NSMD的焊墊設計的確比SMD的吃錫面積來得多而且強壯(基於露銅面積一樣時),可是在實際應用上,將BGA焊墊設計成NSMD真的就比較耐摔嗎?答案似乎不一定?

為了驗證這個論點,我們曾經做過實驗計畫,將同樣一塊電路板的BGA焊墊分別設計成SMD與NSMD兩批樣品,然後拿去做整顆BGA-IC的拉拔力測試,結果其實與這位長官想的不太一樣,但這並不能代表什麼,因為不論是SMD或NSMD焊墊設計,其最終都無法通過DQ的「摔落測試(drop test)」或「滾動測試(tumble test)」。

總總跡象顯示有時候NSMD表現比較好,有時候卻又是SMD表現比較好。所以,在BGA焊墊設計上我們無法證明NSMD一定比SMD來得好。如果你有不同意見歡迎留言討論。

其實拿整顆BGA-IC去做拉力測試會有很多的不確定因素影響其結果,後來另外一個案子,在工作熊的建議之下僅用BGA的錫球去做推力(shear)、拉力(Pull)實驗,結果也無法分出個勝負。

(後面有機會再來分享SMD與NSMD測試的細節。)

這個結果只能告訴我們,如果不從設計根本解決衝擊應力對PCB板彎與BGA失效所造成的影響,一心只想靠著增加「焊錫強度」來解決BGA破裂的問題,結果應該會讓人大失所望。

最後,來看一下【SMD與NSMD焊墊設計優缺點的比較表】吧!這個表格的觀念在之前部落格文章中應該都有提到過了,這裡將之整理成表格給大家可以更容易理解。這個比較表建立在SMD與NSMD焊墊上裸露出相同的銅箔表面積當基礎做成的。

將BGA焊墊設計為SMD與NSDM優缺點

SMD
(Solder-Mask-Defined)
NSMD
(Non-SMD)
優點 焊墊與FR4的結合力(Bonding force)較強。
因為其實際銅箔的面積較大。
吃錫面積較大、焊錫強度較佳。
因為焊錫可以同時吃在銅箔的正上方表面與側邊。
Layout時可以有比較多的空間讓線路從兩個焊墊之間通過。
缺點 焊錫強度較差。
因為相對吃錫面積變小,而且綠漆會因為熱脹冷縮影響焊錫與綠漆交界處的吃錫效果。
Layout時走線較困難。
焊墊與FR4的結合力較差。
因為其實際銅箔的面積較小。
助焊劑、錫珠較容易殘留在未被綠漆覆蓋住的區域。
錫球最可能斷裂位置 發生在錫球與PCB焊墊之間
(一般在IMC層位置)
發生在焊墊與FR4之間
(一般焊墊會被剝離)

到目前為止,我們並沒有任何確切的證據可以證明到底BGA焊墊應該設計成SMD或NSMD比較好以抵抗應力造成的錫球破裂問題,工作熊個人建議是從設計根本來解決應力問題

另外,如果對PCB成本影響不大,工作熊個人強烈建議BGA的焊墊設計應該採用NSMD+via,只是導通孔(via)必須鍍銅填孔,而且還要盡量加大焊墊的尺寸,因為實驗數據說明有加導通孔的焊墊,其承受推力(shear)及拉力(pull)的能力都比沒有加導通孔的焊墊強。

如果你對於「BGA錫球破裂與零件掉落」的解決方案有興趣,不妨參考一下工作熊寫的這一系列的文章分享:電子零件掉落或錫裂一定是SMT製程問題迷思(1)?錫裂只是應力大於結合力之必然結果

~如果你有不同的看法也歡迎留言討論~


延伸閱讀:
BGA錫球斷裂(crack)的紅墨水測試判斷與現象分析
如何決定BGA底部填充膠(underfill)需不需要填加?
用數據比較OSP及ENIG表面處理電路板之焊接焊錫焊點強度
為什麼IMC已經形成有效焊接但零件掉落還是發生IMC層斷裂之觀念澄清

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Pad define 比較好是肯定的, 你有幾個重點沒有考慮到:
1. 置件中心會比較準, 不會受mask 偏移影響
2. BGA 推力或拉拔力的值是參考, 因為同時受多顆錫球焊接影響, 你要比較強度你可以直接在pad 上植錫球, 然後去做推力, 就可以明顯比較


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