SMD和NSMD焊墊設計的區別、優缺點與使用時機建議

你知道什麼是SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)?SMD與NSMD有何區別呢?SMD與NSMD又有何優缺點?它們的使用時機又在那裡?

可能很多人會說自己在電子業,有聽說過「SMD(Surface Mount Device)電子零件」與「SMT(Surface Mont Technology)貼焊技術」,但不知道什麼是NSMD。其實這裡所說的SMD與NSMD指的是在電路板上面看到的銅箔焊墊或焊盤的裸露方式(pad layout design),這個在以前根本就不會有人在意的PCB焊盤設計上的小細節,在電子零件越做越小且焊點也越來小的趨勢下反而顯得越來越重要。因為它關係到焊錫品質與焊接強度。

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那到底什麼是SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)焊墊設計?

現今的PCB焊墊/焊盤(pad)與線路(trace)基本上都是使用銅箔來製作的,但我們在設計PCB時並不會將所有的銅箔都給裸露出來,而只會露出需要接觸或是焊接的焊墊,以避免日後使用上可能的潮濕短路或其他問題,這個時候我們一般會使用所謂的「防焊綠油(Solder-Mask)」來覆蓋住不需要裸露出來的銅箔,所以防焊油印刷的位置精度與能力相對於小焊墊就變得相當重要。

你知道什麼是SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)?SMD與NSMD有何區別呢?SMD與NSMD又有何優缺點?它們的使用時機又在那裡?

什麼是SMD (Solder Mask Defined),防焊限定焊墊

SMD(Solder-Mask Defined Pad Design,防焊限定焊墊設計)就是使用solder-mask(綠漆/綠油)覆蓋於較大面積的銅箔上,然後在綠漆的開口處(綠漆沒有覆蓋的地方)裸露出銅箔來形成焊墊(pad)的稱謂。因為這種焊墊的尺寸會取決於綠油開孔的大小,所以才會說是防焊限定焊墊。

什麼是 NSMD (Non-Solder Mask Defined),非防焊限定焊墊,銅箔獨立焊墊

而NSMD(Non-Solder Mask Defined Pad Design,非防焊限定焊墊設計)又稱為 Copper Defined Pad Design(銅箔獨立焊墊設計)則是把銅箔設計得比防焊綠油的開孔還要小,有點類似湖中島,這樣設計的焊墊大小基本上取決於銅箔的尺寸,因此稱之為獨立銅箔焊墊,也稱非防焊限定焊墊。

那SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)焊墊設計有何優缺點?有沒有說那一種焊墊設計比較好?比較可能解決BGA錫球破裂的問題?

嗯!會這樣問或是有這樣疑問的朋友應該都是公司內有人要求或是遇到了零件焊錫破裂或掉件問題,特別是BGA的錫球破裂問題。

工作熊可以很明確的告訴大家,沒有那一種焊墊設計是可以100%徹底解決BGA錫球破裂問題的,如果想徹底解決BGA錫球破裂問題得從機構設計下手,工作熊知道很多RD都只想靠焊墊設計或是加強焊錫強度來解決BGA的錫裂,工作熊的公司也確實要求製造工廠試過了很多種方法,但效果都很有限,最後幾乎都還是靠著機構改善應力影響而得到改善。

SMD與NSMD這兩種焊墊設計其實各有其優缺點,對於焊錫強度、焊墊與PCB的結合力也更有勝場,所以真的不能說那一種焊墊設計比較好,在你的公司決定使用哪種焊墊設計時,建議要考慮BGA的錫球大小與間距。

在做這些比較前,我們先假設SMD與NSMD焊墊設計的要求裸露的銅箔面積是一樣大的,這樣比較才有意義。

SMD的優點:

SMD焊墊的實際銅箔尺寸相對NSMD要來得大,而且焊墊的周圍也會使用防焊油覆蓋壓住,所以焊墊與FR4的結合強度相對來說就比較好,在維修或是重工的時候,焊盤也比較不易因為反覆的加熱而脫落。

SMD的缺點:

SMD焊墊的焊錫強度會相對比較差。這是因為其相對吃錫面積變小了,而且SMD焊墊的周圍壓著防焊油,這些防焊油在流經回焊高溫時會發生熱脹冷縮,也會影響到焊錫與綠漆交界處的吃錫效果。

受到應力(stress)影響時容易從焊墊的表面破裂,特別容易破裂在IMC層

PCB Layout時走線會較困難,因為焊墊與焊墊之間的間距相對變小了。

NSMD的優點:

因為NSMD的焊墊為獨立銅箔,在焊錫時除了銅箔的正面會吃錫外,連銅箔周圍邊緣的垂直側面也都可以吃到錫,有走線的地方除外,相對來說NSMD的吃錫面積就比較大,所以焊錫強度也就相對的比較好。

NSMD的銅箔實際面積相對來說比較小,layout工程師在走線(trace)時也比較容易佈線,因為焊墊尺寸相對比較小,trace可以輕易的通過BGA的焊墊與焊墊之間。

NSMD的缺點:

焊墊與FR4的結合力較差,因為其實際銅箔的面積較小,維修、重工時焊盤比較容易因為反覆加熱而脫落。

受到應力(stress)影響時,容易從將整個焊墊拉起。

助焊劑、錫珠較容易殘留於未被綠漆覆蓋住的區域,因為該區域表面較為粗糙。

焊墊/焊盤的尺寸大小實際製作出來時大多不會一致,因為焊墊上會有走線(trace)進出,而不同的走線寬度與數量則會造成不同的裸銅(焊墊)面積,不一樣的焊墊大小使用相同的錫膏量就容易造成焊錫不良。當然,這個缺點可以透過修改防焊層的形狀來得到改善,但是需要人工手動調整,這個很花時間與眼力,很多CAD是不願意花這個時間的,或許也可以要求板廠代為修改,但羊毛出在羊身上,直且不同的板廠改出不一樣的結果。另外也可以手動個別修改鋼板在每個焊墊的開孔大小以獲得錫膏量的補償,但是最好的方法還是得從設計下手改變,最好是Gerber出來就可以有一致的焊墊大小

焊墊/焊盤的尺寸大小實際製作出來時大多不一致,因為焊墊上會有走線(trace)進出,而不同的走線寬度與數量則會造成不同的焊墊面積,不一樣的焊墊大小但使用相同的錫膏量就會造成焊錫不良。

SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)焊墊設計的使用時機為何?

參考上面的圖片,SMD設計的焊墊形狀一般會比較完整,因為它較不受線路(trace)走線的影響,建議small chip小零件與細間腳的焊墊要採用SMD設計上,如0402以下的電阻(resister)、電容(capacitor)、電感(inductor)、二極體(TVS diode)等零件,強烈建議0201及01005必須採用SMD焊墊設計,否則焊接時容易發生墓碑效應

工作熊之所以說這類細小零件較不建議採用NSMD,是因為大部分的焊墊都會設計走線來將焊墊與其他的線路連接在一起,這就類似之前舉例的湖中島需要有橋樑連接,這樣才能有電子訊號連通,想像一下一座橋的寬度如果佔據了湖中島1/4~1/5的圓周面積時,這些橋樑可以視為走線的銅箔,這樣子湖中島(焊墊)的形狀是不是就變形了,而且大部分焊墊的走線都至少是一進,最多可能還有一個焊墊連接3~4走線的,這樣的焊墊幾乎就變成了SMD,設計時PCB的佈線工程師可不會想那麼多,防焊的開口一樣會開的比較大,這樣就會造成同一顆零件兩端焊點上的焊墊尺寸變得不一大,chip兩端焊墊不一樣大會怎樣?焊錫的量會不一樣,容易發生墓碑現象(Tombstone)

其他0603以上尺寸的chip如果採用SMD或NSMD對焊錫造成的影響其實關係就不是那麼大了,不過如果可以盡量考慮讓同一顆零件上的所有焊墊大小一致,還是會有助焊接品質提升的。

至於BGA應該採用SMD或NSMD焊墊設計?工作熊會建議你先看過這13篇關於【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】的文章後再來討論。

在你看過工作熊對於BGA錫球破裂的論述之後,你會發現工作熊個人強烈建議BGA的焊墊設計應該採用NSMD+via,而且焊墊上的導通孔(via)必須鍍銅填孔,最好還要盡量加大焊墊的尺寸,如果無法讓BGA所有焊墊都這樣執行,至少要讓BGA最外一排的焊墊這樣設計。


延伸閱讀:
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
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
如何設計加強產品的BGA焊墊強度以防止BGA開裂(SMD與NSMD焊墊設計的差異與優缺點)

 
 
訪客留言內容(Comments)

熊大好;
讲完了BGA,能否讲一下翼型引脚器件的焊点可靠性?我听到一种说法,这种引脚的焊点,对可靠性影响大小依次是heal>toe>side,但是请教了很多人都说不出为什么。希望熊大能不吝赐教

大飞,
你的問題只要從結構力學的觀點去解就可以了。
哪邊的吃錫面積較大,可以形成弧形越漂亮,其焊錫強度就越好。
翼形焊腳的Heel位置多了一個夾角,所以吃錫的面積相對就會比較多,剩下就自己想吧!

最近反到我有遇過把標準SMD改成NSMD的
但這次應用是在雙排QFN的WIFI IC上面
在鋼板厚度被限制且產線工程師功力有限的情況下
這個改法可以有效避免短路錫橋產生
此外這類修改可以不用修改到鋼板以及layout
純粹把PAD外面多做一圈無綠漆的”護城溝”
這樣在融融階段時多餘的錫會先掉到溝裡
後面凝結力再把它拉回

熊貓,
關於你說「NSMD可以讓多餘的的焊錫調到溝裡後用凝結力再把它拉回」的說法,個人持保留態度。
按照理論上來說綠漆的表面粗糙度明顯要比NSMD的無綠漆的護城溝處來得小,相同的焊錫印刷在有綠漆與無綠漆處,通常是有綠漆的焊錫比較容易因為錫的內聚力而拉回焊墊。
但是DQFN的焊錫在本體下方,容易有毛細現象,NSMD的護城溝或許可以起類似「滯洪池」的效果讓多餘的錫膏不至於溢出到相鄰焊墊,但如果錫量超出「滯洪池」的能力反而會造成嚴重短路。比較好的方法應該還是SMD焊墊設計,而鋼板開孔則應該內切外闊,外闊的方向外圍焊點向外圍闊,內圍焊點要向內圍闊,以避免短路。

關於這個我會這樣處理原因
在於客戶RD設計時沒有依照原本IC廠的標準去設計
使用同IC給同客戶的ODM機種依原IC廠建議沒有任何問題發生
後續在廠區生產時會有2.5%~5%的短路不良
客戶RD堅決否認設計問題拒絕修改PAD設計
最終結果就是改成NSMD來解決
只能說能改PAD設計當然沒有問題

另外關於滯洪池溢出當時也有考慮到
在參考IPC建議下重新縮小鋼板孔徑讓錫量降到原本的90%
但這個要特別注意追蹤
WIFI IC的錫量有時會影響到訊號特性
目前追蹤半年運氣很好沒有這種問題產生

熊貓,
感謝您的進一步說明問題背景及修改動機,目前焊墊設計成SMD或NSMD並無明確優缺點,主要看需要及如何選擇,但是要瞭解其各自的優缺點,做出對自己產品最好的選擇。

我想請問:MSD的設計若綠漆的開口值相同,不同量的錫膏會有不同的球高,加油顯微鏡下可看到不同尺寸的球。我想請問:所以小球在接近綠漆位置會有較大的距離(像縫隙),這樣的差異是否會造成錫球在因高低溫循環(-40~125C)因熱脹冷縮或因內聚力,讓錫球有無方向性的往任一邊聚集導致錫球變形?

打雜者
1. 綠漆的膨脹係數一定比錫球來得大。所以是綠漆會因為高溫而發生推擠。
2. 因為綠漆在高溫膨脹,低溫縮小的特性,所以Solder Mask Defined 在錫膏印刷與、融錫與固化時,與綠漆接界的地方會發生些微未吃錫的位置與微小裂縫。


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