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PCBA大讲堂:实验比较SMD与NSMD焊垫设计推球及拉力测试对BGA锡裂的影响

发布时间 :2018-11-02 17:18 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA加工部
为了对抗锡球裂开,BGA焊垫应该设计成SMD或NSMD?
深圳宏力捷之前有撰文说明过【PCB设计大讲堂:为了对抗锡球裂开,BGA焊垫应该设计成SMD或NSMD?】,最开始的时候我们RD拿整颗BGA-IC去做拉拔力的测试,结果当然无法参考。
 
为什么要探讨PCBA加工制程中关于BGA焊垫/焊盘的 SMD(Solder-Mask Defined) NSMD(Non-Solder-Mask-Defined) 设计?是为了可以让BGA增加抵抗外应力冲击而造成锡裂的问题,虽然最终结论BGA应该设计成SMD或NSMD并没有太明显的差异,但在电路板的BGA焊垫采用【NSMD+plugged-via】还是我们的设计方向没有改变。
 
后来另外一个案子进行时,在深圳宏力捷的建议之下直接在PCB植上BGA的锡球,然后对锡球直接做推力(shear)及拉力(Pull)测试实验,本文将说明这次锡球推拉力测试的结果与一些个人感想。推力测试的正式名称应该为锡球侧向的剪切力测试,为了方便,本文以「推力」来称呼。
 
这次实验的目的在验证BGA焊垫设计时应该采用SMD或NSMD才能承受较大的冲击应力(stress)。另外,看官们还记得深圳宏力捷之前曾经撰文分享过BGA焊垫设计的建议吗?【PCBA大讲堂:给BGA焊垫设计的建议】,深圳宏力捷认为BGA最好的焊垫设计建议为【NSMD+plugged-via(塞孔)】,这里的via是micro-via并使用镀铜填孔制程,所以实验中也加入了via-in-pad并填孔的参数。
深圳宏力捷认为BGA最好的焊垫设计建议为【NSMD+plugged-via(塞孔)】,这里的via是micro-via并使用镀铜填孔制程,所以实验中也加入了via-in-pad并填孔的参数。
 
实验以前,深圳宏力捷其实去请教过一些专家,所得到的回答是说这样的实验出来的结果误差其实还是非常大,能不能当作参考存疑,因为很多参数都会影响其结果,比如说回流焊的条件、锡球焊接后的形状,推拉力的速度位置、实验的数量…等,所以看官们就当作是看小说来看这篇文章就好了,不需要太较真。
 
BGA锡球推力(shear)及拉力(Pull)测试实验条件及参数:
BGA锡球推力(shear)及拉力(Pull)测试准备
 锡球直径(ball diameter):0.4mm
 板材(Laminate):FR4, TG150
 板厚(Thickness):1.6mm
 电路板表面处理(Finished):ENIG(化镍浸金)
 锡球合金(Ball solder alloy):SAC305
 锡膏合金(Solder paste alloy):SAC305
 >剪力测试速度(Shear at speeds):5000um/sec
 剪力测试推球位置(shear tool standoff): 10%
 NSMD焊垫大小(直径):0.35mm(pad), 0.40mm(S/M)
 SMD焊垫大小(直径):0.35mm(S/M), 0.40mm(pad)
 
BGA锡球推力(shear)及拉力(Pull)测试时的测试条件设定问题:
 这次实验是将锡球直接焊接在我们家自己设计的FR4电路板上,而不是BGA的载板。植球前必须先印刷锡膏,以避免过回流焊炉时移位。也因为回流焊炉的温度较难掌控,所以过回流焊炉后发现有许多锡球有变形的情况,不过球形还在。这次测试总共做了四片板子,两片为SMD焊垫设计,两片为NSMD焊垫设计,每片板子选择性各焊接了20颗锡球,via-in-pad有11颗锡球,No-via各有9颗锡球。
 
 依据JESD22-B117的规范,推力(shear)的速度一般分为低速(100-800um/sec)及高速(0.01-1.0m/sec)两种,依据过往的经验,锡球承受推力的能力会随着剪切速度的增加而急速下降。我们这次测试则是依据实验室给的建议采用大部分委託测试单位的标准将推力速度定为5000um/sec。奇怪!这个速度怎么反而不在规范的范围内?后来研读文件时觉得速度应该要定在10000um/sec才比较好,因为想要验证的是产品落下及滚动测试时的抗摔落能力,所以速度要快一点才能模拟产品落下时的速度,深圳宏力捷认为这个推力速度牵涉到一些模式计算,必须要去计算产品可能在多高的地方掉下,是否为自由落体或是有附加外力,可惜经费有限无法做太复杂的实验。
 
 推球高度(shear tool standoff)定在锡球高度的10%的位置。规范要求推球位置必须低于锡球高度的25%,一般最常的位置为10%。推球的高度太高会有力距槓杆作用产生,这个并不是我们希望看到的,所以推球的高度应该要越低越好,但是不可以低到影响推球的实验。
 
BGA锡球推力(shear)及拉力(Pull)测试的结果:
BGA锡球推力(shear)及拉力(Pull)测试的结果
测试后的平均推力(shear)及平均拉力(Pull)都显示NSMD的能力比SMD来得好,但是拉力的差异并不是很明显,而推力(Pull)的差异算比较显着。(有时间的话要来研究一下ANOVA判断是否显着,目前仅从经验判断是否显着)
 拉力(Pull):NSMD (884.63gf),标准差57.0gf > SMD (882.33gf),标准差75.1gf。差异仅有2.3fg。
 推力(Shear):NSMD (694.75g),标准差45.8gf > SMD (639.21g),标准差54.5gf。差异有55.54fg。
 不论是拉力或推力的SMD及NSMD焊垫设计都显示有加了通孔且塞孔(plugged-via)的焊垫其承受推拉应力的能力较佳,不过并没有想像中的明显。在推力(Shear)测试项目下,以【NSMD+plugged-via(塞孔)】的表现最好,这个符合预期。但是在拉力(Pull)测试项目下却是以【SMD+plugged-via(塞孔)】的表现最好,这个有必要再进一步探讨。
 
BGA锡球推力(shear)及拉力(Pull)测试后的结论与所观察到的现象与实验破坏后的不良现象(Failure Mode):
拉力(Pull):NSMD No-via 焊垫
 观察拉力测试项目下NSMD焊垫设计的测试样品,发现几乎大部分No-Via的焊垫在拉力测试后焊垫都已经剥离拉起,9个焊垫中有7个焊垫剥离,只有2个焊垫没有剥离。有一个焊垫锡球在实验前就失效。
 
拉力(Pull):NSMD + plugged-via(塞孔)焊垫
 NSMD焊垫设计的测试样品中有via-in-pad焊垫的拉力结果则比较凌乱,10个焊垫中有2个焊垫完全没有损伤,拉断的锡球焊垫中间还残留有尖状焊锡物(945.4gf),另有5个焊垫虽然被拉起但焊垫仅有部份剥离,断裂面在焊锡的IMC层(863.8gf),剩下3个焊垫则被完全拉起(903.9gf)。 
 拉力(Pull):NSMD + plugged-via(塞孔)焊垫
 
拉力(Pull):SMD
 10个有via塞孔及10无via的焊垫全都完整保留在电路板上没有被拉起,而且拉断面残留尖状焊锡物。这个结果也证明我们过去的认知,SMD的焊垫结合力(bonding force)会较比强,所以断裂会出现在焊锡面。
 
推力(Shear):NSMD
 有1个没有via的焊垫被完全移除,剩下18个焊垫都没有被拉起,全都断裂在推力处。有一个焊垫锡球在实验前就失效。
 
推力(Shear):SMD
 20焊垫全都完整保留无破坏,残留尖状焊锡物。
 对比SMD与NSMD焊垫拉起的现象,还是可以隐约证明SMD的焊垫结合力(bonding force)较比强。
 
BGA锡球推拉力实验后的断裂不良模式(Failure Mode)
 BGA锡球推拉力实验后的断裂不良模式(Failure Mode)
综上观察,【NSMD+plugged-via(塞孔)】的焊垫设计其实起到了一定的焊垫结合力加强的效果,虽然还是有3/10焊垫被整个剥离拉起,但对比【NSMD No-via】有7/9焊垫整个剥离,算是有所改善,只是改善没有想像中的显着,或许与via的深度及大小都有关系。
 
可能的残留问题:
 当断裂面出现在IMC层时其所能承受的拉应力表现最差,这表示什么?via-in-pad没有起到该有的预期地椿效果?
 IMC层其实是整个焊锡结构中最脆弱的地方?
 
后记:
以上结论虽然说建议采用【NSMD+plugged-via(塞孔)】焊垫设计来加强BGA 焊锡承受应力的能力,但是不可否认的,如果仅仅想要依靠这些微小的焊垫设计变更就达到解决BGA锡球焊锡破裂或掉落的问题,似乎是缘木求鱼,不切实际!试想小小的锡球如何能承受住电路板遭受外力造成板弯应力?想彻底解决BGA锡裂问题还是得回到机构设计的本质上。请参考【锡裂不一定是SMT制程问题,只是应力大于结合力的必然结果】系列文章。


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