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SMT大讲堂:如何从设计端强化BGA以防止其焊点开裂?

发布时间 :2016-07-12 11:05 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA部
在开始探讨『如何从设计端强化BGA防止开裂』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锡球都焊接良好、IMC生成良好,但还是发生BGA裂开,其最主要原因应该就是【应力(Stress)】了,深圳宏力捷之所以这么断定,因为分析过得所有产品,电路板上零件掉落或开裂问题几乎都与应力有绝对关系。
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reflow高温时的变形,应力会一直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膨胀系数,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,试想一般的道路桥梁都会设计「伸缩缝」来降材料低热胀冷缩的风险,但是电子材料似乎只能尽量找膨胀系数比较小的材质。
 
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:
如何判断BGA掉件是SMT工厂制程或是设计问题?
增加锡膏量可以改善BGA焊接不良?
 
了解BGA零件掉落或锡球开裂跟「应力(stress)」绝对脱离不了关系后,接下来就可以来谈谈如何从设计端强化BGA并尽量防止开裂,方法说破了也不值钱,就看作不作与怎么取舍了,两个方向思考,第一个想办法降低应力的影响,第二个加强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。
增加电路板抗变形的方法有:
1、增加PCB的厚度。如果可以建议尽量使用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,建议使用过炉治具来支撑并强化板子过炉时的变形量。虽然可以尝试降低
2、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,这个必须取舍。
3、在BGA的周围加钢筋。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。
4、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:
1、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。但必须可虑缓冲才的寿命与能力。
2、在BGA的周围增加螺丝或定位固定机构。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。
3、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
1、在BGA的底部灌胶(underfill)。
2、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。
3、使用SMD(Solder Mask Designed) layout。用绿漆覆盖焊垫。
4、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
5、增加焊锡量。但必须控制在不可以短路的情况下。


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