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      SMT大講堂:如何從設計端強化BGA以防止其焊點開裂?

      發布時間 :2016-07-12 11:05 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCBA部
      在開始探討『如何從設計端強化BGA防止開裂』這個議題之前我們得要先了解BGA為何會裂開?先撇開制造的問題,假設所有的BGA錫球都焊接良好、IMC生成良好,但還是發生BGA裂開,其最主要原因應該就是【應力(Stress)】了,深圳宏力捷之所以這么斷定,因為分析過得所有產品,電路板上零件掉落或開裂問題幾乎都與應力有絕對關系。
      電路板零件掉落或錫裂的應力(stress)來源有下列幾種:
      應力來自內部潛變產生 
      比如說電路板或BGA封裝經reflow高溫時的變形,應力會一直釋放到達一個平衡點才會停止,這個平衡點也有可能就是錫球裂開的時候。
      應力來自外部的撞擊或施壓 
      以手機為例,最可能的外部應力就是就在口袋內受力彎曲(iPhone6 plus彎曲門事件),或是因為不小心掉落地上所造成的沖擊。
      應力來自環境溫度變化所產生的熱脹冷縮現象 
      有些地區在冬天的時候室外結冰,當產品從室內有暖氣的環境移動到室外就會發生激烈的溫度變化;在熱帶地區,室內有冷氣,從室內走到室外就會發生溫度的巨大改變,更別說不小心或是故意把產品放在汽車內了,白天曬太陽溫度升高,夜晚溫度急速下降。溫度之所以重要還關系到不同的材料會有不同的膨脹系數,電路板板材的膨脹系數肯定與錫球(solder ball)不同,而且與BGA封裝的材質也不同,試想一般的道路橋梁都會設計「伸縮縫」來降材料低熱脹冷縮的風險,但是電子材料似乎只能盡量找膨脹系數比較小的材質。
       
      這里有幾篇與BGA焊接與掉落有關的文章,建議可以先閱讀一下:
      如何判斷BGA掉件是SMT工廠制程或是設計問題?
      增加錫膏量可以改善BGA焊接不良?
       
      了解BGA零件掉落或錫球開裂跟「應力(stress)」絕對脫離不了關系后,接下來就可以來談談如何從設計端強化BGA并盡量防止開裂,方法說破了也不值錢,就看作不作與怎么取舍了,兩個方向思考,第一個想辦法降低應力的影響,第二個加強BGA抵抗應力的能力。
      下面是幾個可以強化BGA防止開裂的方法:
      一、增強PCB抗變形能力
      電路板(PCB)變形通常來自高溫回焊(Reflow)所造成的快速昇溫與快速降溫(熱脹冷縮),再加上電路板上分佈不均的零件與銅箔,更惡化了電路板的變形量。
      增加電路板抗變形的方法有:
      1、增加PCB的厚度。如果可以建議盡量使用1.6mm以上厚度的電路板。如果還是得使用0.8mm、1.0mm、1.2mm厚度的板子,建議使用過爐治具來支撐并強化板子過爐時的變形量。雖然可以嘗試降低
      2、使用高Tg的PCB材質。高Tg意味著高剛性,但是價錢也會跟著上升,這個必須取舍。
      3、在BGA的周圍加鋼筋。如果有空間,可以考慮像在蓋房子一樣,在BGA的四周打上有支撐力的鐵框來強化其抵抗應力的能力。
      4、在電路板上灌Epoxy膠(potted)。也可以考慮在BGA的周圍或是其相對應的電路板背面灌膠,來強化其抗應力的能力。
      二、降低PCB的變形量
      一般來說當電路板(PCB)被組裝到機殼之后應該會受到機殼的保護,可是因為現今的產品越做越薄,尤其是手持裝置,經常會發生外力彎曲或是掉落撞擊時所產生的電路板變形。
      想降低外力對電路板所造成的變形,有下列的方法:
      1、增加機構對電路板的緩沖設計。比如說設計一些緩沖材,既使機殼變形了,內部的電路板仍然可以維持不受外部應力影響。但必須可慮緩沖才的壽命與能力。
      2、在BGA的周圍增加螺絲或定位固定機構。如果我們的目的只是保護BGA,那么可以強制固定BGA附近的機構,讓BGA附近不易變形。
      3、強化外殼強度以防止其變形影響到內部電路板。
      三、增強BGA的牢靠度
      1、在BGA的底部灌膠(underfill)。
      2、加大電路板上BGA焊墊的尺寸。這樣會使電路板的佈線變得困難,因為球與球之間可以走線的空隙變小了。
      3、使用SMD(Solder Mask Designed) layout。用綠漆覆蓋焊墊。
      4、使用Vias-in-pad(VIP)設計。但焊墊上的孔(via)必許電鍍填孔,否則過回焊時會有氣泡產生,反而容易導致錫球從中間斷裂。這就類似蓋房子打地樁是一樣的道理??梢詤⒖肌?a href="http://www.derobakimya.com/archives/view-334-1.html" target="_blank">導通孔在墊(Vias-in-pad)的處理原則】
      5、增加焊錫量。但必須控制在不可以短路的情況下。


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