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) 與 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(jìn)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)。

 

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)：

?　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：

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(jìn)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)：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)

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。