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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?

发布时间 :2018-09-26 15:50 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷admin
你知道什么是SMD(Solder-Mask Defined)NSMD(Non-Solder-Mask-Defined)焊垫/焊盘设计吗?SMD与NSMD的焊垫设计各有什么优缺点?BGA的焊垫应该设计成SMD或NSMD才能提升对抗应力的冲击而不会破裂呢?
你知道什么是SMD(Solder-Mask Defined)与NSMD(Non-Solder-Mask-Defined)焊垫/焊盘设计吗?SMD与NSMD的焊垫设计各有什么优缺点?
 
新官上任三把火,公司内部中高层人事异动后,新人总喜欢出些新点子来彰显自己的存在价值,老美常见的戏码,也总喜欢推翻前人的决定,认为前人的决定都是狗屎。这次熊熊燃烧起来一把火是要求以后新产品PCB设计时「BGA的焊盘设计都应该采用NSMD来取代SMD」,他认为这样可以增强BGA抵抗应力的能力,有助通过产品验证的「摔落测试(drop test)」与「滚动测试(tumble test)」。
 
因为这位长官觉得在同样裸露出来的铜箔面积下,NSMD的吃锡面积比SMD焊垫设计来得多,NSMD焊垫设计的焊垫表面与侧面都可吃到锡,但是SMD焊垫设计则只有表面焊垫能吃到锡,所以NSMD要比SMD可以承受更大的应力冲击或板弯量。
 
理论上如果仅就「焊锡强度」来看,NSMD的焊垫设计的确比SMD的吃锡面积来得多而且强壮(基于露铜面积一样时),但是在实际应用上,将BGA焊垫设计成NSMD真的就比较耐摔吗?答案似乎不一定?
 
为了验证这个论点,我们曾经做过实验计划,将同样一块电路板的BGA焊垫分别设计成SMD与NSMD两批样品,然后拿去做整颗BGA-IC的拉拔力测试,结果其实与这位长官想的不太一样,但这并不能代表什么,因为不论是SMD或NSMD焊垫设计,其最终都无法通过DQ的「摔落测试(drop test)」或「滚动测试(tumble test)」。
 
总总迹象显示有时候NSMD表现比较好,有时候却又是SMD表现比较好。所以,在BGA焊垫设计上我们无法证明NSMD一定比SMD来得好
 
这个结果只能告诉我们,如果不从设计根本解决冲击应力对PCB板弯与BGA失效所造成的影响,一心想靠着增加「焊锡强度」来解决BGA破裂的问题,结果应该会让人大失所望。
 
最后,来看一下【SMD与NSMD焊垫设计优缺点的比较表】吧!这个表格的观念在之前的文章中应该都有提到过了,这里将之整理成表格给大家可以更容易理解。这个比较表建立在SMD与NSMD焊垫上裸露出相同的铜箔表面积当基础做成的。
 
将BGA焊垫设计为SMD与NSDM优缺点
 
SMD 
(Solder-Mask-Defined)
NSMD 
(Non-SMD)
  将BGA焊垫设计为SMD与NSDM的优缺点 将BGA焊垫设计为SMD与NSDM优缺点
优点
焊垫与FR4的结合力(Bonding force)较强。 
因为其实际铜箔的面积较大。
吃锡面积较大、焊锡强度较佳。
因为焊锡可以同时吃在铜箔的正上方表面与侧边。 
Layout时可以有比较多的空间
让线路从两个焊垫之间通过。
缺点
焊锡强度较差。 
因为相对吃锡面积变小,而且绿漆会因为热胀冷缩影响焊锡与绿漆交界处的吃锡效果。 
Layout时走线较困难。
焊垫与FR4的结合力较差。 
因为其实际铜箔的面积较小。 
助焊剂、锡珠较容易残留在未被绿漆覆盖住的区域。
锡球最可能断裂位置
锡球最可能断裂位置 发生在锡球与PCB焊垫之间 
(一般在IMC层位置)
发生在焊垫与FR4之间 
(一般焊垫会被剥离)
 
 
到目前为止,我们并没有任何确切的证据可以证明到底BGA焊垫应该设计成SMD或NSMD比较好以抵抗应力造成的锡球破裂问题,深圳宏力捷建议是从设计根本来解决应力问题
 
另外,如果对PCB成本影响不大,深圳宏力捷强烈建议BGA的焊垫设计应该采用NSMD+via,只是导通孔(via)必须镀铜填孔,而且还要尽量加大焊垫的尺寸,因为实验数据说明有加导通孔的焊垫,其承受推力(shear)及拉力(pull)的能力都比没有加导通孔的焊垫强。
如果对PCB成本影响不大,深圳宏力捷强烈建议BGA的焊垫设计应该采用NSMD+via
 
如果你对于「BGA锡球破裂与零件掉落」的解决方案有兴趣,不妨参考一下深圳宏力捷写的这一系列的文章分享: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


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