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增加PCBA焊锡结合力的方法二:增加焊锡的接触面积以增加焊锡强度

发布时间 :2018-03-21 10:42 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA加工部
BGA封装的【SMD(Solder Mask Defined)】与【NSMD(Non Solder Mask Defined)】焊垫设计对于焊锡能力有什么影响?这两种焊垫又对PCBA的结合力有何影响?
BGA封装的【SMD(Solder Mask Defined)】与【NSMD(Non Solder Mask Defined)】焊垫设计对于焊锡能力有什么影响?这两种焊垫又对PCBA的结合力有何影响?
 
二、加大零件脚焊锡的面积
请注意:这里指的是加大零件脚焊锡的面积,而不是增加焊锡量。
建议您请先参考深圳宏力捷之前写的这篇【电子零件焊接强度的观念澄清】文章。
深圳宏力捷必须再强调一次:「焊接强度基本上与焊接的面积成正比」,在不考虑更换锡膏配方及电路板表面处理的前提下,想增强零件焊接强度的要点有二:
 
1、增加零件脚焊锡的接触面积。不是体积喔!
如果仅在BGA的焊球处加入更多的焊锡量,基本上是不会增加其焊锡强度的,应为其焊锡面积不变,对于有引脚(如QFP)或有侧面焊点(如电容)的SMD零件,增加焊锡量或许可以增加其焊锡强度,因为这些SMD零件的引脚有侧边焊点有机会可以吃锡,如果锡量增加后可以让焊锡在焊脚侧边形成完好的弧度(curve),相对的就可以有效增加焊锡强度,就像是树木或电线杆怕飓风刮倒在侧面加支柱类似,结构设计在转弯处加R角也是一样的道理,而弧形的焊锡则可以更有效分散应力。
 
所以,如果增加焊锡量可以让焊锡爬上焊脚的侧边,甚至让侧边焊锡爬得更高至完全包覆住焊脚,那么其强度一定会大大的增加,这比只有焊接在焊接底部要好太多了,因为你增加了焊锡面积,而且其焊锡结构也被加强了。
 
可惜大部分SMD零件的引脚侧壁不是因为成本考量而没有做电镀处理直接裸铜,造成容易氧化吃不上锡,要不然就是电镀处理了,但是脚间距却太小,造成PCB焊垫的设计怕短路无法扩大,以至于焊锡无法完全爬上其侧边并形成完美的弧型。
 
既然焊脚的侧壁爬锡可以增加焊锡面积与焊锡强度,所以很多人就在接地脚(GND)的地方做文章,比如说在板对板连接器(B2B connector)两端的接地片增加圆孔或半圆孔形状,或是将其设计成"U"字型都有机会可以增加其焊锡强度。
既然焊脚的侧壁爬锡可以增加焊锡面积与焊锡强度,所以很多人就在接地脚(GND)的地方做文章,比如说在板对板连接器(B2B connector)两端的接地片增加圆孔或半圆孔形状,或是将其设计成"U"字型都有机会可以增加其焊锡强度。既然焊脚的侧壁爬锡可以增加焊锡面积与焊锡强度,所以很多人就在接地脚(GND)的地方做文章,比如说在板对板连接器(B2B connector)两端的接地片增加圆孔或半圆孔形状,或是将其设计成"U"字型都有机会可以增加其焊锡强度。
 
既然谈到了加大焊锡面积有助增强焊锡强度,就不得不稍微提一下BGA封装在PCB端的SMD/NSMD焊垫设计对焊锡影响的优劣。
请注意不要将这里的【SMD (Solder Mask Defined)焊垫】与【SMD (Surface Mount Device)零件】搞混了喔!
 
假设SMD与NSMD焊垫设计裸露出来的面积是一样的,那么NSMD焊垫的焊接能力应该会比SMD焊垫来得优,之前说过了,这是因为NSMD焊垫在焊锡时会连焊垫的侧壁一起吃到锡,而SMD焊垫则没有侧壁。(NSMD又称为铜箔定义焊垫「Copper Defined pad」)
假设SMD与NSMD焊垫设计裸露出来的面积是一样的,那么NSMD焊垫的焊接能力应该会比SMD焊垫来得优,之前说过了,这是因为NSMD焊垫在焊锡时会连焊垫的侧壁一起吃到锡,而SMD焊垫则没有侧壁。(NSMD又称为铜箔定义焊垫「Copper Defined pad」)
 
但可别因为这样就急着将所有的BGA焊垫都改成NSMD焊垫设计哦!凡事有利就有弊,这个世界是公平的,即使你看到的SMD及NSMD裸露出来的焊垫表面有一样的大小,但SMD焊垫的尺寸其实比NSMD要来的大上许多(PCB Layout布线的设计而定),因为NSMD的焊垫有一大部分只是被绿漆(Solder-Mask)给覆盖住而已,就因为NSMD的焊垫尺寸比较小,几乎与BGA的锡球一样大而已,所以一旦发生BGA锡球破裂时,经常可见NSMD的焊垫是连着锡球一块被拔起的。
 
就如深圳宏力捷之前说过的,应力会自己寻找结合力最脆弱的地方来宣洩,当焊垫从NSMD改成SMD后,焊锡力也跟着增强之后,焊锡IMC层抵抗应力的能力大过了PCB铜箔附着于基材上的结合力时(SMD焊垫尺寸变小了),破裂的地方就转变成了焊垫与FR4基材之间了。所以深圳宏力捷还是认为,如果想彻底解决BGA破裂的问题,应该还是要朝减少应力作用来进行,才有机会得到最好的改善。
 
所以,结论是NSMD焊垫的吃锡性较SMD焊垫优,而SMD焊垫的焊垫结合力则比NSMD焊垫来得好。
SMD: Solder-Mask-Defined pads(防焊定义焊垫)
NSMD: Non-Solder-Mask-Defined pads,又称为Copper Defined pads(铜箔定义焊垫)
建议延伸阅读:如何设计加强产品的BGA焊垫强度以防止BGA开裂(SolderMask Defined, SMD)
 
2.使用通孔焊脚来取代表面贴焊
其实,电子零件采用表面贴焊(Surface mount)的焊锡强度再怎么改善,其抵抗应力的能力就是那样,想要再增加焊锡强度就只能利用结构设计,将受到的应力传导给其他的机构来承受,而最能立竿见影的就是直接将引脚做成直立的穿孔(Plating Hole)设计,这样就可以将引脚受到的应力再传导给PCB的孔壁来承受,相对的也可以增加焊锡的强度。较常见的作法是将零件的部份焊脚从表面贴焊制程改成通孔焊接,比如Micro-USB连接器的铁框焊脚,它基本上还是走SMT制程,只是部份焊脚采用PIH(Paste-In-Hole)制程,最新的Type-C也有连接器厂商出通孔及表面贴焊混合脚的零件。
 
另外,针对BGA封装零件,可以考虑将导通孔(vias)放置于PCB端的焊垫上,目的就是在焊垫打上铆钉以增强焊垫附着于FR4的强度,这就类似房子打地椿防震的道理类似,不过焊垫上的导通孔一定要电镀填孔,否则BGA的锡球可能会形成孔洞(Void/bubble)问题,严重的话甚至会造成枕头效应(head in pillow)的不良现象。
建议相关阅读:导通孔在垫(Vias-in-pad)的处理原则


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