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增加PCBA焊錫結合力的方法二:增加焊錫的接觸面積以增加焊錫強度

發(fā)布時間 :2018-03-21 10:42 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCBA加工部
BGA封裝的【SMD(Solder Mask Defined)】與【NSMD(Non Solder Mask Defined)】焊墊設計對于焊錫能力有什么影響?這兩種焊墊又對PCBA的結合力有何影響?
BGA封裝的【SMD(Solder Mask Defined)】與【NSMD(Non Solder Mask Defined)】焊墊設計對于焊錫能力有什么影響?這兩種焊墊又對PCBA的結合力有何影響?
 
二、加大零件腳焊錫的面積
請注意:這里指的是加大零件腳焊錫的面積,而不是增加焊錫量。
建議您請先參考深圳宏力捷之前寫的這篇【電子零件焊接強度的觀念澄清】文章。
深圳宏力捷必須再強調(diào)一次:「焊接強度基本上與焊接的面積成正比」,在不考慮更換錫膏配方及電路板表面處理的前提下,想增強零件焊接強度的要點有二:
 
1、增加零件腳焊錫的接觸面積。不是體積喔!
如果僅在BGA的焊球處加入更多的焊錫量,基本上是不會增加其焊錫強度的,應為其焊錫面積不變,對于有引腳(如QFP)或有側面焊點(如電容)的SMD零件,增加焊錫量或許可以增加其焊錫強度,因為這些SMD零件的引腳有側邊焊點有機會可以吃錫,如果錫量增加后可以讓焊錫在焊腳側邊形成完好的弧度(curve),相對的就可以有效增加焊錫強度,就像是樹木或電線桿怕颶風刮倒在側面加支柱類似,結構設計在轉彎處加R角也是一樣的道理,而弧形的焊錫則可以更有效分散應力。
 
所以,如果增加焊錫量可以讓焊錫爬上焊腳的側邊,甚至讓側邊焊錫爬得更高至完全包覆住焊腳,那么其強度一定會大大的增加,這比只有焊接在焊接底部要好太多了,因為你增加了焊錫面積,而且其焊錫結構也被加強了。
 
可惜大部分SMD零件的引腳側壁不是因為成本考量而沒有做電鍍處理直接裸銅,造成容易氧化吃不上錫,要不然就是電鍍處理了,但是腳間距卻太小,造成PCB焊墊的設計怕短路無法擴大,以至于焊錫無法完全爬上其側邊并形成完美的弧型。
 
既然焊腳的側壁爬錫可以增加焊錫面積與焊錫強度,所以很多人就在接地腳(GND)的地方做文章,比如說在板對板連接器(B2B connector)兩端的接地片增加圓孔或半圓孔形狀,或是將其設計成"U"字型都有機會可以增加其焊錫強度。
既然焊腳的側壁爬錫可以增加焊錫面積與焊錫強度,所以很多人就在接地腳(GND)的地方做文章,比如說在板對板連接器(B2B connector)兩端的接地片增加圓孔或半圓孔形狀,或是將其設計成"U"字型都有機會可以增加其焊錫強度。既然焊腳的側壁爬錫可以增加焊錫面積與焊錫強度,所以很多人就在接地腳(GND)的地方做文章,比如說在板對板連接器(B2B connector)兩端的接地片增加圓孔或半圓孔形狀,或是將其設計成"U"字型都有機會可以增加其焊錫強度。
 
既然談到了加大焊錫面積有助增強焊錫強度,就不得不稍微提一下BGA封裝在PCB端的SMD/NSMD焊墊設計對焊錫影響的優(yōu)劣。
請注意不要將這里的【SMD (Solder Mask Defined)焊墊】與【SMD (Surface Mount Device)零件】搞混了喔!
 
假設SMD與NSMD焊墊設計裸露出來的面積是一樣的,那么NSMD焊墊的焊接能力應該會比SMD焊墊來得優(yōu),之前說過了,這是因為NSMD焊墊在焊錫時會連焊墊的側壁一起吃到錫,而SMD焊墊則沒有側壁。(NSMD又稱為銅箔定義焊墊「Copper Defined pad」)
假設SMD與NSMD焊墊設計裸露出來的面積是一樣的,那么NSMD焊墊的焊接能力應該會比SMD焊墊來得優(yōu),之前說過了,這是因為NSMD焊墊在焊錫時會連焊墊的側壁一起吃到錫,而SMD焊墊則沒有側壁。(NSMD又稱為銅箔定義焊墊「Copper Defined pad」)
 
但可別因為這樣就急著將所有的BGA焊墊都改成NSMD焊墊設計哦!凡事有利就有弊,這個世界是公平的,即使你看到的SMD及NSMD裸露出來的焊墊表面有一樣的大小,但SMD焊墊的尺寸其實比NSMD要來的大上許多(PCB Layout布線的設計而定),因為NSMD的焊墊有一大部分只是被綠漆(Solder-Mask)給覆蓋住而已,就因為NSMD的焊墊尺寸比較小,幾乎與BGA的錫球一樣大而已,所以一旦發(fā)生BGA錫球破裂時,經(jīng)??梢奛SMD的焊墊是連著錫球一塊被拔起的。
 
就如深圳宏力捷之前說過的,應力會自己尋找結合力最脆弱的地方來宣洩,當焊墊從NSMD改成SMD后,焊錫力也跟著增強之后,焊錫IMC層抵抗應力的能力大過了PCB銅箔附著于基材上的結合力時(SMD焊墊尺寸變小了),破裂的地方就轉變成了焊墊與FR4基材之間了。所以深圳宏力捷還是認為,如果想徹底解決BGA破裂的問題,應該還是要朝減少應力作用來進行,才有機會得到最好的改善。
 
所以,結論是NSMD焊墊的吃錫性較SMD焊墊優(yōu),而SMD焊墊的焊墊結合力則比NSMD焊墊來得好。
SMD: Solder-Mask-Defined pads(防焊定義焊墊)
NSMD: Non-Solder-Mask-Defined pads,又稱為Copper Defined pads(銅箔定義焊墊)
建議延伸閱讀:如何設計加強產(chǎn)品的BGA焊墊強度以防止BGA開裂(SolderMask Defined, SMD)
 
2.使用通孔焊腳來取代表面貼焊
其實,電子零件采用表面貼焊(Surface mount)的焊錫強度再怎么改善,其抵抗應力的能力就是那樣,想要再增加焊錫強度就只能利用結構設計,將受到的應力傳導給其他的機構來承受,而最能立竿見影的就是直接將引腳做成直立的穿孔(Plating Hole)設計,這樣就可以將引腳受到的應力再傳導給PCB的孔壁來承受,相對的也可以增加焊錫的強度。較常見的作法是將零件的部份焊腳從表面貼焊制程改成通孔焊接,比如Micro-USB連接器的鐵框焊腳,它基本上還是走SMT制程,只是部份焊腳采用PIH(Paste-In-Hole)制程,最新的Type-C也有連接器廠商出通孔及表面貼焊混合腳的零件。
 
另外,針對BGA封裝零件,可以考慮將導通孔(vias)放置于PCB端的焊墊上,目的就是在焊墊打上鉚釘以增強焊墊附著于FR4的強度,這就類似房子打地椿防震的道理類似,不過焊墊上的導通孔一定要電鍍填孔,否則BGA的錫球可能會形成孔洞(Void/bubble)問題,嚴重的話甚至會造成枕頭效應(head in pillow)的不良現(xiàn)象。
建議相關閱讀:導通孔在墊(Vias-in-pad)的處理原則


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