|
![]() |
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。
(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!)
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。
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,這些防焊漆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,並在交界處形成一些焊接不平順的地方,遭受應力時就無法有效分散,特別是在反覆的溫度循環(thermal cycling)或長期機械振動(mechanical vibration)的環境下,這些應力集中(stress concentration)處就容易出現疲勞破裂。
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。
SMD焊墊設計其實
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,而且連銅箔周圍邊緣的垂直側面也都可以吃到錫,更可以已形成焊接弧形(fillet),遭受到應力時也比較可以有效的分散。當然,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有機會造成焊錫不良。
不過,就實際情況來說,一般很少會有人特意的為了這些進出線路增加的焊接面積去增減錫膏量的,因為需要一個個焊墊去計算面積是件很麻煩的事,再說BGA下面的錫膏最主要目的是為了連接BGA的錫球,也就是說錫膏量的多寡對BGA錫球整體錫量差異不會太大。除非真的碰到了焊接或是其他問題,比如說發生HIP/HoP問題或是焊錫斷裂,才會有人想去修改鋼板開孔彌補錫量。
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,而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。
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)
// Begin Comments & Trackbacks ?>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
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
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?
訪客留言注意事項:
1.首次留言須通過審核後內容才會出現在版面上,請不要重覆留言。
2.留言時請在相關主題文章下留言,與主題不相關的留言將會被視為垃圾留言,請善加利用【搜尋框】尋找相關文章,找不到主題時請在「水平選單」的「留言板」留言。
3. 留言前請先用【搜尋框】尋找相關文章,自己做一點功課後再留言。沒有前因後果的內容,工作熊不一定會瞭解你在說什麼,就更無法回答你的問題。
4. 工作熊並非某一方面的專家,所以回答的內容或許會有不正確的地方,服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題,請前先參考這篇文章【詢問工程問題,請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問,並且請提供足夠的資訊,這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看,但不會每則留言都回答,尤其是只有問候之類的內容。
6. 留言詢問時請注意您的態度,工作熊不是你的「細漢」,更沒有拿你的薪水,所以不接受吆喝工作熊的態度來回答你的問題。
7. 原則上工作熊不接受私下電子郵件、電話、私訊、微信或任何即時通聯絡。
8. 自2021年7月起Google將停止最新文章電子郵件通知,如果你想隨時接收部落格的最新文章可以參考這裡。
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