實驗比較SMD與NSMD焊墊設計推球及拉力測試對BGA錫裂的影響

實驗以前，工作熊其實有去請教過一些專家，所得到的回答是說這樣實驗出來的結果誤差其實還是非常大，能不能當作參考存疑，因為很多參數都會影響其結果，比如說回焊的條件、錫球焊接後的形狀，推拉力的速度位置、實驗的數量…等，所以看倌們就當作是看小說來看這篇文章就好了，不需要太較真。

BGA錫球推力(shear)及拉力(Pull)測試實驗條件及參數：

• 錫球直徑(ball diameter)：0.4mm
• 板材(Laminate)：FR4, TG150
• 板厚(Thickness)：1.6mm
• 電路板表面處理(Finished)：ENIG（化鎳浸金）
• 錫球合金(Ball solder alloy)：SAC305
• 錫膏合金(Solder paste alloy)：SAC305
• 剪力測試速度(Shear at speeds)：5000um/sec
• 剪力測試推球高度位置(shear tool standoff): 10%
• NSMD焊墊大小(直徑)：0.35mm(pad), 0.40mm(S/M)
• SMD焊墊大小(直徑)：0.35mm(S/M), 0.40mm(pad)

BGA錫球推力(shear)及拉力(Pull)測試時的測試條件設定問題：

• 這次實驗是將錫球直接焊接在我們家自己設計的FR4電路板上，而不是BGA的載版。植球前必須先印刷錫膏，以避免過回焊爐時錫球移位。也因為回焊爐的溫度較難精準掌控，也可能是夾取錫球時損傷，所以過完回焊爐後發現許多錫球有變形的情況，不過球形還在。這次測試總共做了四片板子，兩片為SMD焊墊設計，兩片為NSMD焊墊設計，每片板子選擇性各焊接了20顆錫球，via-in-pad有11顆錫球，No-via各有9顆錫球。

• 依據JESD22-B117的規範，推力(shear)的速度一般分為低速(100-800um/sec)及高速(0.01-1.0m/sec)兩種，依據過往的經驗，錫球承受推力的能力會隨著剪切速度的增加而急速下降。我們這次測試則是依據實驗室給的建議採用大部分委託測試單位的標準將推力速度定為5000um/sec。奇怪！這個速度怎麼反而不在規範的範圍內？後來研讀文件時覺得速度應該要定在10000um/sec才比較好，因為想要驗證的是產品落下及滾動測試時的抗摔落能力，所以速度要快一點才能模擬產品落下時的速度，工作熊認為這個推力速度牽涉到一些模式計算，必須要去計算產品可能在多高的地方掉下，是否為自由落體或是有附加外力，可惜經費有限無法做太複雜的實驗。

• 推球高度(shear tool standoff)定在錫球高度的10%的位置。規範要求推球位置必須低於錫球高度的25%，一般最常設定的位置為10%。推球的高度太高會有力距槓桿作用產生，這個並不是我們希望看到的，所以推球的高度應該要越低越好，但是不可以低到影響推球的實驗。

BGA錫球推力(shear)及拉力(Pull)測試的結果：

測試後的平均推力(shear)及平均拉力(Pull)都顯示NSMD的承受應力的能力比SMD來得好，但是拉力的差異並不是很明顯，而推力(Pull)的差異算比較顯著。（有時間的話要來研究一下ANOVA判斷是否顯著，目前僅從經驗判斷是否顯著）

• 拉力(Pull)：NSMD (884.63gf)，標準差57.0gf > SMD (882.33gf)，標準差75.1gf。差異僅有2.3fg。

• 推力(Shear)：NSMD (694.75g)，標準差45.8gf > SMD (639.21g)，標準差54.5gf。差異有55.54fg。

• 不論是拉力或推力測試的SMD及NSMD焊墊設計都顯示有加了通孔且塞孔(plugged-via)的焊墊其承受推拉應力的能力較佳，不過並沒有想像中的明顯。在推力(Shear)測試項目下，以【NSMD+plugged-via(塞孔)】的表現最好，這個符合預期。但是在拉力(Pull)測試項目下卻是以【SMD+plugged-via(塞孔)】的表現最好，這個有必要再進一步探討。

BGA錫球推力(shear)及拉力(Pull)測試後的結論與所觀察到的現象與實驗破壞後的不良現象(Failure Mode)：

拉力(Pull)：NSMD No-via 焊墊

• 觀察拉力測試項目下NSMD焊墊設計的測試樣品，發現幾乎大部分No-Via的焊墊在拉力測試後焊墊都已經剝離拉起，9個焊墊中有7個焊墊剝離，只有2個焊墊沒有剝離。有一個焊墊錫球在實驗前就失效。這個結果符合預期。

拉力(Pull)：NSMD + plugged-via(塞孔)焊墊

• NSMD焊墊設計的測試樣品中有via-in-pad焊墊的拉力結果顯得比較凌亂，10個焊墊中有2個焊墊完全沒有損傷，拉斷的錫球焊墊中間還殘留有尖狀焊錫物(945.4gf)，另有5個焊墊雖然被拉起但焊墊僅有部份剝離，斷裂面在焊錫的IMC層(863.8gf)，剩下3個焊墊則被完全拉起(903.9gf)。 整體來說有加plugged-via的焊墊比較強壯。
  

拉力(Pull)：SMD

• 10個有via塞孔及10個無via的焊墊全都完整保留在電路板上沒有被拉起，而且拉斷面殘留尖狀焊錫物。這個結果也證明我們過去的認知，SMD的焊墊結合力(bonding force)會較比強，所以斷裂會出現在焊錫面。

推力(Shear)：NSMD

• 有1個沒有via的焊墊被完全移除，剩下18個焊墊都沒有被拉起，全都斷裂在推力處。有一個焊墊錫球在實驗前就失效。

推力(Shear)：SMD

• 20焊墊全都完整保留無破壞，殘留尖狀焊錫物。
• 對比SMD與NSMD焊墊拉起的現象，還是可以隱約證明SMD的焊墊結合力(bonding force)比較強。

BGA錫球推拉力實驗後的斷裂不良模式(Failure Mode)