PCB科技 - PCBA演講廳：SMD和NSMD焊盤設計的比較

為了防止焊球開裂, BGA焊盤是否應設計為SMD或NSMD?

Why discuss the SMD (Solder-Mask Defined) and NSMD (Non-Solder-Mask-Defined) design of BGA pads/中的焊盤 PCBA加工 過程? 這是為了使BGA能够提高對外部應力和錫開裂引起的衝擊的抵抗力. 雖然最終結論是BGA應設計為SMD或NSMD, 沒有顯著差异, but the BGA pad of the circuit board uses [NSMD+plugged-via] Still our design direction has not changed.

本實驗的目的是在驗證BGA焊盤設計時，使用SMD或NSMD承受更大的應力。

實驗前, 我諮詢了一些 PCB專家. 我得到的答案是，這樣一個實驗結果的誤差實際上非常大. 它可以作為疑問的參攷嗎, 因為很多參數都會影響結果.

BGA焊球推力（剪切）和拉力（拉力）測試條件和參數：

BGA焊球推力（剪切）和拉力（拉力）測試準備

–球體直徑：0.4mm

–層壓板：FR4，TG150

–厚度：1.6mm

–電路板表面處理（成品）：ENIG（鎳浸金）

–球形焊料合金：SAC305

–錫膏合金：SAC305

剪切速度：5000um/s

–剪切工具對峙：10%

–NSMD焊盤尺寸（直徑）：0.35mm（焊盤），0.40mm（S/M）

–SMD焊盤尺寸（直徑）：0.35mm（S/M），0.40mm（焊盤）

BGA焊球推力（剪切）和拉力（拉力）測試條件設定問題：

–在本實驗中，焊球直接焊接在我們自己設計的FR4電路板上，而不是BGA載體板上。 錫膏必須在植球前印刷，以避免通過回流爐時移位。 此外，由於回流爐的溫度難以控制，許多焊球在經過回流爐後被發現變形，但球形仍然存在。 在本測試中，共製作了四塊板，其中兩塊是為SMD焊盤設計的，兩塊是為NSMD焊盤設計的。 每個電路板都有20個焊球選擇性焊接，焊盤中的通孔有11個焊球。 無通孔每個有9個焊球。

BGA焊球推力（剪切）和拉力（拉力）測試結果

試驗後的平均推力（剪切力）和平均拉力（拉力）均表明，NSMD優於SMD，但拉力的差异不是很明顯，拉力（拉力）的差异被認為是顯著的。 （如果你有時間，讓我們研究方差分析判斷是否重要。現時，我們僅根據經驗判斷是否重要）

-拉動：NSMD（884.63gf），標準差57.0gf>SMD（882.33gf），標準差75.1gf。 差异僅為2.3fg。

剪切：NSMD（694.75g），標準差45.8gf>SMD（639.21g），標準差54.5gf。 差值為55.54fg。

–無論是拉力還是推力SMD和NSMD襯墊設計，結果表明，具有通孔和堵塞通孔的襯墊具有更好的承受推拉應力的能力，但這並不像預期的那麼明顯。 在推力（剪切）測試項下，[NSMD+堵塞通孔]表現最好，符合預期。 然而，在拉力測試項下，[SMD+插入通孔（塞孔）]表現最佳。 這需要進一步討論。

BGA焊球推力（剪切）和拉力（拉動）測試結論以及實驗失敗後觀察到的現象和不良現象（失敗模式）：

拉：NSMD No via pad

–觀察拉伸測試項目下NSMD焊盤設計的測試樣本，發現幾乎大多數無通孔焊盤在拉伸測試後已剝落，9個焊盤中有7個已剝落，只有2個未剝落。 實驗前，焊盤上的一個錫球失敗。

拉動：NSMD+通過（塞孔）墊插入

–NSMD焊盤設計的測試樣本中焊盤內通孔焊盤的拉伸結果相當混亂。 10個焊盤中有2個完全沒有損壞，並且在破損的焊球焊盤中間仍然有尖端。 成型焊料（945.4gf），其他5個焊盤被拉起，但焊盤僅部分剝離，斷裂面位於焊料的IMC層（863.8gf），其餘3個焊盤被完全拉起（903.9gf）。

拉動：NSMD+通過（塞孔）墊插入

拉力：SMD

–10個帶過孔塞的焊盤和10個不帶過孔的焊盤都留在電路板上，沒有拔出，拔出的部分有尖銳的焊料殘留物。 這一結果也證明了我們過去的知識，即SMD焊盤的結合力將更强，囙此焊料表面將出現裂紋。

推力（剪切）：NSMD

–其中一個沒有過孔的焊盤被完全拆除，其餘18個焊盤沒有拉起，所有焊盤都在推力作用下斷裂。 實驗前，焊盤上的一個錫球失敗。

推力（剪切）：SMD

-20個焊盤都完好無損，留下尖銳的焊渣。

–比較SMD和NSMD焊盤上拉現象，仍然可以模糊地證明SMD的結合力更强。

BGA焊球推拉力測試後的故障模式

BGA焊球推拉力測試後的故障模式

總之，[NSMD+插入通孔]的焊盤設計實際上具有一定的增强焊盤結合力的效果。 儘管3/10的焊盤被整個剝離拉起，但與[NSMD No via]相比，有7/9的焊盤被完全剝離，這被認為是一種改進，但改進不如預期的那麼顯著。 這可能與通孔的深度和尺寸有關。

可能的殘留問題：

–當斷裂面出現在IMC層中時，其能够承受的拉伸應力最差。 這是什麼意思？ 焊盤中的通孔沒有達到預期的地面菊花效果？

–IMC層實際上是整個焊接結構中最弱的地方？

附言：

Although the above conclusions suggest that [NSMD+plugged-via] pad design is recommended to enhance the ability of BGA solder to withstand stress, 不可否認，如果 PCB工廠 只想依靠這些微小的焊盤設計變化來實現解决BGA焊球的焊料開裂或脫落的問題似乎是命運之源, 這是不切實際的! 想像一下，小錫球如何能够承受由電路板外力引起的彎曲應力? 徹底解決BGA錫開裂問題, 有必要回歸機构設計的本質.