Để ngăn chặn nứt bóng hàn, miếng đệm BGA nên được thiết kế như SMD hoặc NSMD?

2021-10-30

Author：Downs

Tại sao thảo luận về thiết kế SMD (Solder-Mask Defined) và NSMD (Non-Solder-Mask-Defined) của miếng đệm/miếng đệm BGA trong quá trình xử lý PCBA?Đó là để cho phép BGA tăng khả năng chống lại căng thẳng bên ngoài và tác động gây ra bởi nứt thiếc.Mặc dù kết luận cuối cùng là BGA nên được thiết kế như SMD hoặc NSMD,không có sự khác biệt đáng kể,nhưng pad BGA của bảng mạch sử dụng [NSMD + cắm qua] Tuy nhiên hướng thiết kế của chúng tôi đã không thay đổi.

BGA pad của bảng sử dụng [NSMD+Plug],nhưng hướng thiết kế của chúng tôi không thay đổi.

Mục đích của thí nghiệm này là sử dụng SMD hoặc NSDD để chịu được căng thẳng lớn hơn khi xác minh thiết kế của BGA pad.

Tôi đã tham khảo ý kiến một số chuyên gia PCB trước khi thử nghiệm. Câu trả lời tôi nhận được là sai số trong kết quả thí nghiệm như vậy thực sự rất lớn. Nó có thể được sử dụng như một tài liệu tham khảo cho sự nghi ngờ? Bởi vì nhiều thông số ảnh hưởng đến kết quả.

BGA bóng hàn lực đẩy (cắt) và kéo (kéo) điều kiện thử nghiệm và thông số:

BGA bóng hàn lực đẩy (cắt) và kéo (kéo) thử nghiệm chuẩn bị

▪Đường kính bóng: 0.4mm

▪Tấm nhiều lớp: FR4, TG150

▪ Độ dày: 1.6mm

▪Xử lý bề mặt bảng mạch (Đã hoàn thành): ENIG (Nickel nhúng vàng)

▪ Hợp kim hàn bóng: SAC305

▪Hợp kim dán hàn: SAC305

▪Tốc độ cắt: 5000um/giây

▪Khoảng cách công cụ cắt: 10%

▪Kích thước miếng đệm NSMD (Dia): 0.35mm (Pad), 0.40mm (S/M)

▪Kích thước của SMD Pad (Dia): 0.35mm (S/M), 0.40mm (Pad)

bảng pcb

BGA hàn bóng đẩy (cắt) và kéo (kéo) vấn đề thiết lập điều kiện thử nghiệm:

Trong thí nghiệm này, các quả bóng hàn được hàn trực tiếp trên bảng mạch FR4 do chính chúng tôi thiết kế, không phải trên bảng vận chuyển BGA.Dán hàn phải được in trước khi trồng để tránh dịch chuyển xảy ra khi đi qua lò hàn chảy ngược. Ngoài ra, nhiều quả bóng bị biến dạng sau khi đi qua lò hàn reflow do nhiệt độ của lò khó kiểm soát, nhưng hình cầu vẫn còn.Tổng cộng bốn tấm đã được chế tạo trong thử nghiệm này,hai trong số đó được thiết kế cho các tấm SMD và hai tấm khác cho các tấm NSMD. Mỗi tấm được hàn có chọn lọc với 20 quả bóng, với 11 quả bóng thông qua các lỗ trong đĩa. Mỗi lỗ có 9 quả bóng hàn.

Kết quả kiểm tra lực đẩy bóng hàn BGA (cắt) và lực kéo (kéo)

Cả lực đẩy trung bình sau khi thử nghiệm (lực cắt) và lực kéo trung bình (lực kéo) đều cho thấy NSDD tốt hơn SMD,nhưng sự khác biệt về lực kéo không rõ ràng và sự khác biệt về lực kéo (lực kéo) được coi là đáng kể. (Nếu bạn có thời gian, hãy xem xét liệu phán đoán phân tích phương sai có đáng kể hay không. Hiện tại, chúng tôi chỉ đánh giá nó theo kinh nghiệm.)

▪Lực kéo: NSDD (884.63gf), độ lệch chuẩn 57.0gf>SMD (882.33gf). Sự khác biệt chỉ là 2.3fg.

▪Cắt: NSDD (694.75gf), độ lệch chuẩn 45,8gf>SMD (639,21g), độ lệch chuẩn 54,5gf. Sự khác biệt là 55.54fg.

▪Bất kể thiết kế miệng kéo hoặc đẩy SMD và NSMD, nó được cho thấy rằng các miệng có lỗ thông qua và cắm qua có khả năng chịu đựng tốt hơn căng thẳng đẩy kéo, nhưng nó không rõ ràng như mong đợi. Dưới mục thử nghiệm đẩy (Shear),NSMD+plugged via thực hiện tốt nhất, phù hợp với kỳ vọng. Tuy nhiên, dưới mục thử nghiệm kéo, [SMD + cắm qua (lỗ cắm)] thực hiện tốt nhất. Điều này đòi hỏi phải thảo luận thêm.

Kết luận kiểm tra lực đẩy bóng hàn BGA (cắt) và lực kéo (kéo) và các hiện tượng và hiện tượng bất lợi quan sát được sau khi thí nghiệm thất bại (chế độ thất bại):

Kéo: NSDD Không vượt qua pad

▪Các mẫu thử nghiệm của thiết kế miếng đệm NSMD đã được quan sát theo dự án thử nghiệm độ bền kéo và người ta phát hiện ra rằng hầu hết các miếng đệm không có lỗ sau khi thử nghiệm độ bền kéo đã bị tước,7 trong số 9 miếng đã bị tước và chỉ có 2 miếng chưa bị tước. Một quả bóng trên miếng đệm trước khi thử nghiệm đã thất bại.

Kéo: NSDD+chèn qua (jack) pad

▪Kết quả kéo dài thông qua các lỗ trong chảo trong mẫu thử nghiệm được thiết kế bởi NSMD pad khá lộn xộn.2 trong số 10 miếng đệm hoàn toàn không bị hư hại và vẫn có đầu ở giữa miếng bi bị hư hỏng.Hàn hình thành (945.4gf),5 miếng đệm khác được kéo lên, nhưng miếng đệm chỉ bị lột một phần, bề mặt vỡ nằm trong lớp IMC của miếng hàn (863.8gf), 3 miếng còn lại được kéo lên hoàn toàn (903.9gf)

Kéo: NSDD+chèn qua (jack) pad

Lực kéo: SMD

▪10 pad với phích cắm thông qua lỗ và 10 pad không thông qua lỗ vẫn còn trên bảng,không được kéo lên và phần được kéo ra có dư lượng hàn sắc nét. Kết quả này cũng chứng minh kiến thức trong quá khứ của chúng tôi rằng lực liên kết của các miếng đệm SMD sẽ mạnh hơn và do đó các vết nứt sẽ xuất hiện trên bề mặt của vật liệu hàn.

Lực đẩy (cắt): NSDD

▪Một trong những miếng đệm không có lỗ thông qua đã được loại bỏ hoàn toàn, 18 miếng còn lại không được kéo lên và tất cả đều bị phá vỡ bởi lực đẩy. Trước khi thử nghiệm, một quả bóng hàn trên đĩa đã thất bại.

Lực đẩy (cắt): SMD

▪Tất cả 20 miếng đệm đều còn nguyên vẹn, để lại dư lượng hàn sắc nét.

▪So sánh hiện tượng kéo trên đĩa hàn SMD và NSDD, vẫn có thể chứng minh một cách mơ hồ rằng lực liên kết của SMD mạnh hơn.

Chế độ thất bại sau khi thử nghiệm lực đẩy và kéo bóng hàn BGA

Kết hợp tất cả những điều trên, thiết kế pad của [NSDD+Plug] thực sự có một số vai trò trong việc tăng cường lực liên kết của pad.Mặc dù 3/10 miếng đã được kéo lên trong suốt quá trình lột,7/9 miếng đã được lột hoàn toàn so với [NSDD Không thông qua], được coi là một cải tiến, nhưng cải tiến không đáng kể như mong đợi. Điều này có thể liên quan đến độ sâu và kích thước của lỗ thông qua.

Những vấn đề có thể tồn tại:

▪Khi bề mặt nứt vỡ xuất hiện trong lớp IMC, nó có thể chịu được ứng suất kéo tồi tệ nhất. Thế nghĩa là sao? Quá lỗ trong đệm không đạt được hiệu quả hoa cúc như mong muốn?

▪Lớp IMC thực sự là nơi yếu nhất trong toàn bộ cấu trúc hàn?

Ghi chú:

Mặc dù các kết luận trên cho thấy rằng thiết kế pad [NSMD+Plug-in] được đề xuất để cải thiện khả năng chịu đựng căng thẳng của hàn BGA, không thể phủ nhận rằng sẽ không thực tế nếu các nhà máy PCB chỉ muốn dựa vào những thay đổi thiết kế pad nhỏ này để đạt được giải pháp cho vấn đề nứt hoặc rơi của hàn bi BGA dường như là nguồn gốc của số phận! Hãy tưởng tượng làm thế nào một quả bóng hàn nhỏ có thể chịu được áp lực uốn gây ra bởi các lực bên ngoài của bảng mạch? Để giải quyết triệt để vấn đề nứt thiếc BGA,cần phải quay trở lại bản chất của thiết kế thể chế.