2015/07/15 • 没有评论

如何从设计端强化BGA以防止其焊点开裂？

公司最近有好多同事都在问：『到底BGA要如何设计才可以加强并改善其强度以防止BGA开裂(crack)？』，原来公司内有个高层在前几天也得了柯P上身症候群，在某个产品的开发会议上撂下狠话说：『不要惹再我生气了，要是再有客户抱怨产品有BGA开裂问题，就必须要有人为此负责！』。

其实最该负责的不就是这些公司高层吗？既要求产品设计要轻又要薄，还要求要赶进度，把原本12个月的新产品週期缩短为9个月，现在又压缩为6个月，而且ID还一直变来变去，更要求进度(Schedule)不能延后，又要产品设计出来完美无缺，这群工程师们就只能卖命、卖肝，人人自危，这公司文化怎么变成了这个样子？

其实188金宝搏苹果下载在这个部落格里已经有多篇文章讨论过关于BGA掉落、焊接不良，以及BGA锡球开裂(crack)的问题了，不过好像还没有比较完整的整理过『如何从设计端强化BGA防止开裂』的对策。

在开始探讨这个议题之前，我们得要先了解BGA为何会裂开？先撇开制造的问题，假设所有的BGA锡球焊接都是良好的、IMC的生长也是良好，但依然还是发生BGA裂开情形，其最主要原因应该就是【应力(Stress)】了，188金宝搏苹果下载之所以这么断定，是因为分析过所有不良品后发现电路板上零件掉落或开裂问题几乎都与应力脱离不了关系。

电路板零件掉落或锡裂的应力(stress)来源有下列几种：

应力来自内部潜变产生
比如说电路板或BGA封装经回焊(reflow)高温时的变形，应力会一直被释放到达一个平衡点才会停止，这个平衡点也有可能就是锡球裂开的时候。
应力来自外部的撞击或施压
以手机为例，最可能的外部应力就是就在使用者的口袋内受力弯曲（iPhone6 plus弯曲门事件），或是因为不小心掉落地上所造成的冲击应力。
应力来自环境温度变化所产生的热胀冷缩现象
有些地区在冬天的时候室外结冰，当产品从室内有暖气的环境移动到结冰的室外就会发生激烈的温度变化；在热带地区，室内有冷气，从室内走到室外就会发生温度的巨大改变，更别说不小心或是故意把产品放在汽车内了，白天晒太阳温度升高，夜晚辐射冷却温度急速下降。温度之所以重要还关系到不同的材料会有不同的热膨胀系数(CTE)，电路板板材的膨胀系数肯定与锡球(solder ball)不同，而且与BGA封装的材质也不同，试想一般的道路桥樑都会设计「伸缩缝」来降低材料热胀冷缩的风险，但是电子材料似乎只能尽量找膨胀系数差异比较小的材质来使用。

这里有几篇与BGA焊接与掉落有关的文章，建议可以先阅读一下：

了解到BGA零件掉落或锡球开裂跟「应力(stress)」绝对脱离不了关系后，接下来我们就可以来谈谈如何从设计端强化BGA强度并尽量防止其开裂，方法说破了其实也不值钱，就看做不做与怎么取捨了。两个方向思考，第一个方法就是想办法降低应力的影响，第二个方法则是加强BGA抵抗应力的能力。

下面是几个可以强化BGA防止开裂的方法：

一、增强PCB抗变形能力

电路板(PCB)变形通常来自高温回焊(Reflow)所造成的快速昇温与快速降温（热胀冷缩），再加上电路板上分佈不均的零件与铜箔，更恶化了电路板的变形量。

增加电路板抵抗变形的方法有：

增加PCB的厚度。如果可以的话，建议尽量使用1.6mm以上厚度的电路板。如果还是得使用0.8mm、1.0mm、1.2mm厚度的板子，建议使用过炉治具(reflow carrier)来支撑并强化板子过炉时的变形量。

使用高Tg的PCB材质。高Tg意味着高刚性，但是价钱也会跟着上升，这个必须取捨。

在BGA的周围增加加强筋。如果有空间，可以考虑像在盖房子一样，在BGA的四周打上有支撑力的铁框来强化其抵抗应力的能力。

在电路板上灌Epoxy胶(potted)。也可以考虑在BGA的周围或是其相对应的电路板背面灌胶，来强化其抗应力的能力。

二、降低PCB的变形量

一般来说当电路板(PCB)被组装到机壳之后应该会受到机壳的保护，可是因为现今的产品越做越薄，尤其是手持装置，经常会发生外力弯曲或是掉落撞击时所产生的电路板变形。

想降低外力对电路板所造成的变形，有下列的方法：

增加机构对电路板的缓冲设计。比如说设计一些缓冲材，既使机壳变形了，内部的电路板仍然可以维持不受外部应力影响。但必须可虑缓冲材的寿命与能力。

在BGA的周围增加螺丝或定位固定的机构。如果我们的目的只是保护BGA，那么可以强制固定BGA附近的机构，让BGA附近不易变形。

强化外壳强度以防止其变形影响到内部电路板。

三、增强BGA的牢靠度

在BGA的底部灌胶(underfill)。

加大电路板上BGA焊垫的尺寸。这样会使电路板的佈线变得困难，因为球与球之间可以走线的空隙变小了。

使用SMD(Solder Mask Designed) layout。用绿漆覆盖焊垫，可以参考这篇文章【如何设计加强产品的BGA焊垫强度以防止BGA开裂（Solder-Mask-Defined, SMD）】。
※请注意：SMD与NSMD焊垫设计其实各有优劣，採用SMD可以加强焊垫与PCB的结合力，但是却不利锡球的焊接强度，採用NSMD则会加强焊接强度，但是不利焊垫与电路板的结合力。

【实验比较SMD与NSMD焊垫设计推球及拉力测试对BGA锡裂的影响】、【为了对抗锡球裂开，BGA焊垫应该设计成SMD或NSMD？SMD与NSMD的优缺点】

使用Vias-in-pad(VIP)设计。但焊垫上的孔(via)必许电镀填孔，否则过回焊时会有气泡产生，反而容易导致锡球从中间断裂。这就类似盖房子打地桩是一样的道理。可以参考【导通孔在垫(Vias-in-pad)的处理原则】

增加銲锡量。但必须控制在不可以短路的情况下。【增加锡膏量可以改善BGA焊接不良？】