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

實驗比較SMD與NSMD焊墊設計推球及拉力測試對BGA的影響。為什麼要探討BGA焊墊/焊盤的 SMD(Solder-Mask Defined) 與 NSMD(Non-Solder-Mask-Defined) 設計?是為了可以讓BGA增加抵抗外應力衝擊而造成錫裂的問題。

工作熊之前有撰文說明過【BGA焊墊應該設計成SMD或NSMD才能有效對抗錫球開裂的問題】,最開始的時候我們RD拿整顆BGA-IC去做拉拔力的測試,結果當然無法參考。

為什麼要探討BGA焊墊/焊盤的 SMD(Solder-Mask Defined) NSMD(Non-Solder-Mask-Defined) 設計?是為了可以讓BGA增加抵抗外應力衝擊而造成錫裂的問題,雖然最終結論BGA應該設計成SMD或NSMD並沒有太明顯的差異,但在電路板的BGA焊墊採用【NSMD+plugged-via】還是我們的設計方向沒有改變。

(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!)

後來另外一個案子進行時,在工作熊的建議之下直接在PCB植上BGA的錫球,然後對錫球直接做推力(Shear)及拉力(Pull)測試實驗,本文將說明這次錫球推拉力測試的結果與一些個人感想。推力測試的正式名稱應該為錫球側向的剪切力測試,為了方便,本文以「推力」來稱呼之。

這次實驗的目的在驗證BGA焊墊設計時應該採用SMD或NSMD才能承受較大的衝擊應力(stress)。另外,看倌們還記得工作熊之前曾經撰文分享過BGA焊墊設計的建議嗎?【電子零件掉落或BGA錫裂一定是SMT製程問題迷思(6)?工作熊個人給BGA焊墊設計的建議】,工作熊認為BGA最好的焊墊設計建議為【NSMD+plugged-via(塞孔)】,這裡的via是micro-via並使用鍍銅填孔(copper filled via)製程,所以實驗中也加入了via-in-pad並填孔的參數。

 

 

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:

BGA錫球推力(shear)及拉力(Pull)測試準備

BGA錫球推力(shear)及拉力(Pull)測試時的測試條件設定問題:

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)

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

拉力(Pull):NSMD + plugged-via(塞孔)焊墊

拉力(Pull):SMD

推力(Shear):NSMD

推力(Shear):SMD

BGA錫球推拉力實驗後的斷裂不良模式(Failure Mode)

綜上觀察,【NSMD+plugged-via(塞孔)】的焊墊設計其實起到了一定的焊墊結合力加強的效果,雖然還是有3/10焊墊被整個剝離拉起,但對比【NSMD No-via】有7/9焊墊整個剝離,算是有所改善,只是改善沒有想像中的顯著,或許與via的深度及大小都有關係。

可能的殘留問題:

 

後記:

以上結論雖然說最後建議採用【NSMD+plugged-via(塞孔)】焊墊設計來加強BGA焊錫承受應力的能力,但是不可否認的,如果僅僅想要依靠這些微小的焊墊設計變更就達到解決BGA錫球焊錫破裂或掉落的問題,似乎是緣木求魚,不切實際!試想小小的錫球如何能承受住電路板遭受外力造成板彎應力?想徹底解決BGA錫裂問題還是得回到機構設計的本質上。請參考【電子零件掉落或BGA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】系列文章。


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

 
 
訪客留言內容(Comments)

大熊好。请问NSMD及SMD两种设计,对于BGA的焊接良率方面有无影响?也就是说两种不同的焊盘设计,对于回流焊接时的桥连或者HIP之类的不良,有无直接或间接的影响?影响有多大?尤其是在BGA尺寸及重量越来越大的情况下,

大飞,
BGA短路與否應該與焊盤間距、錫膏多寡、有否焊油於焊墊間有關。與SMD、NSMD關係不大。要注意你所看到的SMD與NSMD並不一定會維持一樣的焊盤大小,PCB製程也是有公差的。
HIP的問題一般就是錫膏量、板彎變形、BGA零件變形有關,尤其不可以有未塞孔的via-in-pad。

網站看到這篇,不知道是否有抄襲問題,供您參考

蘇啟仁,
你看到所有的大陸網站都是盜版文章。有些網站還把文章內容改成是自己寫的,盜文無極限。

您好,因為工作上有碰到BGA封裝的IC錫球斷裂的問題,想要做IC錫球的拉力和推力驗證,請問您是否有接案驗證或是有推薦此專業的公司可以協助呢?

謝謝!

May,
建議你找lab做這方便的實驗,台灣前幾家lab應該都可以做,如果可以的話最好可以跟著,只少事前的討論與條件設定自己一定要參與。


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