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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)與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)」。
（對於大陸那些盜文網站，複製貼上本站文章後，居然還改成自己公司的名字，感到無恥！文章內容部份防止複製編排可能造成您閱讀的不便，請見諒！）
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) |
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| 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