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SMT或波焊的热应力是否会造成BGA锡裂?

188金宝搏苹果下载 这次要来跟这次来跟大家讨论一个网路论坛上网友提出来关于「热应力是否会造成BGA锡裂?」的问题。

背景说明：

先来看一下网友提出的问题。这位网友贴出了一张BGA焊锡做完红墨水染色试验后的照片，照片中明显可以看得出来，有一颗锡球出现有染红的现象，表示该锡球的焊锡应该是有破裂的现象。

如果是对「红墨水试验」还不是很了解的朋友，可以先看一下这几篇有关的文章：

• 红墨水染红测试分析(Red Dye Pry Test)的允收标准
• 如何看懂实验室的BGA红墨水测试报告测试报告的深层意义
• 简介用红墨水试验 (Red Dye Penetration Test)查看BGA焊锡有否破裂

这位网友有说明，产品是在客户端安装了散热器之后发现不开机的故障，做了红墨水试验后发现在主芯片BGA(应该是MCU)边侧的锡球位置有裂纹，目前排查产线制程，发现波焊的炉温过高，实际测出来的温度有到265˚C，想问问大家的意见，这种焊锡破裂的不良是否存在热应力的风险？

其他网友看过问题后，大多认为这可能是在安装散热器的时候弯曲了PCB，导致应力施加在BGA的锡球上造成的锡裂，也可能是回焊或波焊作业时高温对PCB造成了永久性的板弯，在后续的散热器安装时再度弯曲PCB所造成的。188金宝搏苹果下载 个人其实也大致是这样认为的。

不过这里有一件事要特别提醒大家注意：我们在检视BGA锡裂现象时，最好要同时观察PCB端及BGA零件端的不良现象，这样才不会被单边的现象所迷惑，也可以互相验证，避免不小心看错。

再来，我们在分析这类BGA锡裂问题时，首先要确认的是锡裂是发生在整个BGA封装的那一个区域？更正确地来说，应该是要确认锡裂是发生在BGA封装的边缘与4个角落或发生在内圈的锡球区域。其次，要检查锡球的断裂面是发生在锡球的那个位置？现在业界普遍将锡球裂开的位置归纳为5大类型，分别为：

• 断裂发生在PCB焊垫与PCB板材之间。
• 断裂发生在PCB焊垫与焊锡之间。这个位置通常是PCB的IMC层。
• 断裂发生在焊锡本体，也就是纯粹的锡裂。
• 断裂发生在焊锡与BGA焊垫之间。这个位置通常是BGA载板的IMC层。
• 断裂发生在BGA载板板材与焊垫之间。

有了以上的讯息后，就可以让我们先大致了解BGA锡裂是来自外部应力或是其他原因所造成。

188金宝搏苹果下载 之前有做过几支与BGA锡裂发生的原因探讨影片及文章，有兴趣的朋友可以来参考一下：

• BGA发生锡裂一定是焊锡问题吗？锡裂原因与解决方法探讨
• BGA锡裂一定是焊锡问题吗(II)？PCBA包含有那些结合力
• 电子零件掉落或BGA锡裂一定是SMT制程问题迷思(1)？锡裂只是应力大于结合力之必然结果

现在，大家再看来一下这张不良照片，看看大家是否可以判断出来，锡裂是发生在BGA封装的那一个区域？断裂面又发生在锡球的那个位置？

首先，锡裂应该是发生在BGA的角落区域，而BGA的4个角落其实也是经验中最容易发生锡裂的区域，这是因为一但PCB有弯曲变形时，整颗BGA的最大力矩就发生在4个角到角的位置，因为对角线的距离最长，所以承受的应力也最大。观察照片可以发现，有超过75%的锡球断面都被红墨水给染色了，有染色的地方就表示有缝隙，红墨水才能渗透并染色。从红墨水的染色情况也可以看出这个焊锡破裂是从BGA锡球的角落最外侧开始，然后一路往内侧延伸，因为照片中还可以看得出来锡球在靠近BGA内侧方向还剩下最后一点点未完全撕裂。这一点也可以进一步印证力矩应力造成的锡裂。

其次，这个锡球的断裂面应该是发生在PCB焊垫与焊锡之间。照片中拍摄的应该是BGA零件端，从断裂的焊点上可以看到完整的锡球还黏在BGA载板上。根据经验，大多数BGA的焊锡破裂面几乎都发生在PCB端。为什么呢？推测其原因可能有下面三点，分别为：

1. 材料差异：PCB与BGA载板使用的材料虽然类似，但实际上不同，PCB通常使用FR4材料，其Z方向的膨胀系数（CTE）相对较高，而BGA载板则大多使用CTE较小的材料。由于这些材料的膨胀系数不同，当经歷温度变化时，PCB端容易因加热膨胀或冷却收缩而产生更大的弯曲应力。这里有一点需要特别提出来说明，早期BGA大多使用BT材质，其Z方向的膨胀系数确实较低，但是现在很多BGA已经开始採用ABF材质，其Z方向的膨胀系数反而比FR4还来得高，目前还没有足够的数据来确认ABF的BGA是否会导致更多的锡裂发生在BGA载板端。

2. 结构差异：BGA载板的佈线通常比PCB来得均匀与细緻，而且BGA载板的层与层之间的结合也较PCB牢固。这使得PCB端的焊点显得相对较为脆弱，容易因为机械应力、温度循环或长期使用而产生锡裂。

3. 焊接应力集中：PCB与BGA载板之间的焊锡点，在应力的集中位置经常会因为使用而发生疲劳，更特别是由于PCB的应力变形更大，所以也就更容易导致在PCB端出现锡裂。

其三，还可以观察一下焊锡断裂面为光滑表面或粗糙表面。如果为光滑表面，类似回焊完成时的锡球光滑表面，就比较可能是NWO(Non-Wet-Open，悬球开裂)不良，如果为粗糙表面，就是表面会有些稍微凹凸与锯齿状，就比较偏向是应力造成的疲劳断裂。

另外，这应该是个题外话，188金宝搏苹果下载 观察到不良照片中PCB的焊垫设计几乎都採用了NSMD(Non-Solder Mask Defined)焊垫设计，相较于SMD(Solder Mask Defined)焊垫设计，NSMD焊垫设计虽然强化了锡球的焊锡能力，却弱化了焊垫附着于PCB板材的能力，这也是为何照片中撬开的BGA，大部分焊点都出现PCB焊垫黏在锡球的情形，也就是PCB焊垫从板材上被撕裂。之前一直有人问BGA焊垫应该採用SMD或NSMD比较能抵抗焊锡破裂，188金宝搏苹果下载 只说两者各有优缺点，如果你只想靠着焊点的强度来抵抗应力，就有点螳螂挡车了。

想进一步了解什么是SMD与NSMD焊垫设计可以参考下面的文章：

• SMD和NSMD焊垫设计的区别、优缺点与使用时机建议
• 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
• 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

说了这么多，好像还没谈到这位网友问题中关心的一个重点，就是这种焊锡破裂是否存在”热应力”风险。

什么是热应力？

热应力(thermal stress)是指材料因为温度变化而产生的内部应力。当材料受热时会膨胀，冷却时则会收缩。如果材料不同部分受热不均匀，或在膨胀或收缩过程中受到外部限制，材料内部就会出现应力。此外，当材料内含有不同膨胀系数(CTE)的材质时，因为温度变化而导致不同材料间体积不一致，也会产生应力。这些应力可能会导致材料变形或产生裂纹。热应力在机械、电子元件和建筑材料等领域中都是需要考虑的重要因素，尤其是当材料暴露在极端温度变化下时。

BGA焊点可能会受热应力影响而破裂吗？

个人觉得热应力在回焊或波焊的加热及冷却过程中很少会因为热应力而造成锡裂，因为高温的情况下，焊锡为液态，只要变形不是太严重，液态焊锡还是有可塑性的，如果变形太过严重，在BGA焊点上应该会出现HIP/HoP或NWO，而不是锡裂。

要说热应力对BGA焊点的最大影响，个人觉得应该是BGA载板(substrate)及PCB板材在高温前后发生变形，然后在后续的板阶电性测试、整机组装中或是后续的应用中再度被扳平，因为所有的组装设计都会假设PCBA是没有变形的，这时候就可能对BGA的焊点施加应力，一旦焊锡强度低于施加的应力，发生焊锡破裂只是刚刚好而已。

这位网友另外还关心一个问题，就是他们排查产线制程后发现波焊的炉温过高，实际测出来的温度有到265˚C，265˚C的波焊峰值确实比较高，但也只是在温度区间的上限而已，一般来说波焊的峰值温度会比回焊来得高，这是因为波焊实际的焊接时间在扰流波其实只有约1.5S，而平流波虽然较长，但也只有约4S，波焊温度的重点应该要放在预热温度与峰值温度的温差上，这段温差会是一个「热冲击」，才是真正可能影响PCB能力的关键因素，一般来说这段温差建议要小于150˚C，不要超过200˚C。如果真的担心PCB的焊点会有热应力问题，建议要使用波焊载具，来降低热冲击的效应。

以上是188金宝搏苹果下载 个人的看法。

请注意，188金宝搏苹果下载 的看法也可能出错，就当作是听个故事。

YouTube影片：SMT或波焊的热应力(thermal stress)是否造成BGA锡裂?

Podcast：SMT或波焊的热应力(thermal stress)是否造成BGA锡裂?

延伸阅读：

• 如何从设计端强化BGA以防止其焊点开裂？
• 如何从红墨水测试中判断BGA开裂的不良原因
• [案例]BGA锡球开裂不良，利用应变计确认机构设变对策前后改善
• BGA锡裂，使用应变片(Strain Gauge)量测电路板到底那个环节产生较大变形量