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PCBA大講堂:實驗比較SMD與NSMD焊墊設(shè)計推球及拉力測試對BGA錫裂的影響

發(fā)布時間 :2018-11-02 17:18 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCBA加工部
為了對抗錫球裂開,BGA焊墊應(yīng)該設(shè)計成SMD或NSMD?
深圳宏力捷之前有撰文說明過【PCB設(shè)計大講堂:為了對抗錫球裂開,BGA焊墊應(yīng)該設(shè)計成SMD或NSMD?】,最開始的時候我們RD拿整顆BGA-IC去做拉拔力的測試,結(jié)果當(dāng)然無法參考。
 
為什么要探討PCBA加工制程中關(guān)于BGA焊墊/焊盤的 SMD(Solder-Mask Defined) NSMD(Non-Solder-Mask-Defined) 設(shè)計?是為了可以讓BGA增加抵抗外應(yīng)力沖擊而造成錫裂的問題,雖然最終結(jié)論BGA應(yīng)該設(shè)計成SMD或NSMD并沒有太明顯的差異,但在電路板的BGA焊墊采用【NSMD+plugged-via】還是我們的設(shè)計方向沒有改變。
 
后來另外一個案子進行時,在深圳宏力捷的建議之下直接在PCB植上BGA的錫球,然后對錫球直接做推力(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(jié)果與一些個人感想。推力測試的正式名稱應(yīng)該為錫球側(cè)向的剪切力測試,為了方便,本文以「推力」來稱呼。
 
這次實驗的目的在驗證BGA焊墊設(shè)計時應(yīng)該采用SMD或NSMD才能承受較大的沖擊應(yīng)力(stress)。另外,看官們還記得深圳宏力捷之前曾經(jīng)撰文分享過BGA焊墊設(shè)計的建議嗎?【PCBA大講堂:給BGA焊墊設(shè)計的建議】,深圳宏力捷認(rèn)為BGA最好的焊墊設(shè)計建議為【NSMD+plugged-via(塞孔)】,這里的via是micro-via并使用鍍銅填孔制程,所以實驗中也加入了via-in-pad并填孔的參數(shù)。
深圳宏力捷認(rèn)為BGA最好的焊墊設(shè)計建議為【NSMD+plugged-via(塞孔)】,這里的via是micro-via并使用鍍銅填孔制程,所以實驗中也加入了via-in-pad并填孔的參數(shù)。
 
實驗以前,深圳宏力捷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(jié)果誤差其實還是非常大,能不能當(dāng)作參考存疑,因為很多參數(shù)都會影響其結(jié)果,比如說回流焊的條件、錫球焊接后的形狀,推拉力的速度位置、實驗的數(shù)量…等,所以看官們就當(dāng)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(shù):
BGA錫球推力(shear)及拉力(Pull)測試準(zhǔn)備
? 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(shè)定問題:
? 這次實驗是將錫球直接焊接在我們家自己設(shè)計的FR4電路板上,而不是BGA的載板。植球前必須先印刷錫膏,以避免過回流焊爐時移位。也因為回流焊爐的溫度較難掌控,所以過回流焊爐后發(fā)現(xiàn)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(shè)計,兩片為NSMD焊墊設(shè)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(jù)JESD22-B117的規(guī)范,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(jù)過往的經(jīng)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(jù)實驗室給的建議采用大部分委託測試單位的標(biāo)準(zhǔn)將推力速度定為5000um/sec。奇怪!這個速度怎么反而不在規(guī)范的范圍內(nèi)?后來研讀文件時覺得速度應(yīng)該要定在10000um/sec才比較好,因為想要驗證的是產(chǎn)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(chǎn)品落下時的速度,深圳宏力捷認(rèn)為這個推力速度牽涉到一些模式計算,必須要去計算產(chǎn)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(jīng)費有限無法做太復(fù)雜的實驗。
 
? 推球高度(shear tool standoff)定在錫球高度的10%的位置。規(guī)范要求推球位置必須低于錫球高度的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(chǎn)生,這個并不是我們希望看到的,所以推球的高度應(yīng)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(jié)果:
BGA錫球推力(shear)及拉力(Pull)測試的結(jié)果
測試后的平均推力(shear)及平均拉力(Pull)都顯示NSMD的能力比SMD來得好,但是拉力的差異并不是很明顯,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(jīng)驗判斷是否顯著)
? 拉力(Pull):NSMD (884.63gf),標(biāo)準(zhǔn)差57.0gf > SMD (882.33gf),標(biāo)準(zhǔn)差75.1gf。差異僅有2.3fg。
? 推力(Shear):NSMD (694.75g),標(biāo)準(zhǔn)差45.8gf > SMD (639.21g),標(biāo)準(zhǔn)差54.5gf。差異有55.54fg。
? 不論是拉力或推力的SMD及NSMD焊墊設(shè)計都顯示有加了通孔且塞孔(plugged-via)的焊墊其承受推拉應(yīng)力的能力較佳,不過并沒有想像中的明顯。在推力(Shear)測試項目下,以【NSMD+plugged-via(塞孔)】的表現(xiàn)最好,這個符合預(yù)期。但是在拉力(Pull)測試項目下卻是以【SMD+plugged-via(塞孔)】的表現(xiàn)最好,這個有必要再進一步探討。
 
BGA錫球推力(shear)及拉力(Pull)測試后的結(jié)論與所觀察到的現(xiàn)象與實驗破壞后的不良現(xiàn)象(Failure Mode):
拉力(Pull):NSMD No-via 焊墊
? 觀察拉力測試項目下NSMD焊墊設(shè)計的測試樣品,發(fā)現(xiàn)幾乎大部分No-Via的焊墊在拉力測試后焊墊都已經(jīng)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(shè)計的測試樣品中有via-in-pad焊墊的拉力結(jié)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):NSMD + plugged-via(塞孔)焊墊
 
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(jié)果也證明我們過去的認(rèn)知,SMD的焊墊結(jié)合力(bonding force)會較比強,所以斷裂會出現(xiàn)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(xiàn)象,還是可以隱約證明SMD的焊墊結(jié)合力(bonding force)較比強。
 
BGA錫球推拉力實驗后的斷裂不良模式(Failure Mode)
 BGA錫球推拉力實驗后的斷裂不良模式(Failure Mode)
綜上觀察,【NSMD+plugged-via(塞孔)】的焊墊設(shè)計其實起到了一定的焊墊結(jié)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(guān)系。
 
可能的殘留問題:
? 當(dāng)斷裂面出現(xiàn)在IMC層時其所能承受的拉應(yīng)力表現(xiàn)最差,這表示什么?via-in-pad沒有起到該有的預(yù)期地椿效果?
? IMC層其實是整個焊錫結(jié)構(gòu)中最脆弱的地方?
 
后記:
以上結(jié)論雖然說建議采用【NSMD+plugged-via(塞孔)】焊墊設(shè)計來加強BGA 焊錫承受應(yīng)力的能力,但是不可否認(rèn)的,如果僅僅想要依靠這些微小的焊墊設(shè)計變更就達(dá)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(yīng)力?想徹底解決BGA錫裂問題還是得回到機構(gòu)設(shè)計的本質(zhì)上。請參考【錫裂不一定是SMT制程問題,只是應(yīng)力大于結(jié)合力的必然結(jié)果】系列文章。


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