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。

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,工作熊其實去請教過一些專家,所得到的回答是說這樣的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

  • 錫球直徑(ball diameter):0.4mm
  • 板材(Laminate):FR4, TG150
  • 版厚(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,以避免過回焊爐時移位。也因為回焊爐的溫度較難掌控,所以過回焊爐後發現有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。

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焊墊的拉力結果則比較凌亂,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)。

拉力(Pull):SMD

  • 10個有via塞孔及10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)較比強。

    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

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