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2.針對BGA封裝的四個角落不要設計錫球或使用Dummy-ball
如果你有在顯微鏡下仔細研究過BGA破裂的實際現象，應該會發現絕大部分的BGA都是從外邊四個角落處的錫球開始破裂的，這是因為BGA四個角落對於板彎的力距是最遠的，所以它們也是板彎板翹後承受最大應力之處，當然也就最容易發生焊錫破裂。
3.較薄PCB採用回焊過爐載具或全程載具降低板彎變形風險
工作熊個人認為，PCB厚度如果在1.2mm以下應該採用「回焊過爐載具(reflow carrier)」，如果是在1.0mm以下可能還必須採用「全程載具(full process carrier)」，即使是1.6mm含或以上的板子，可能都要視情況採用SMT載具。
使用SMT載具最主要目的當然是為了降低及防止PCB彎曲變形，一旦PCB發生變形，在其後續的測試及組裝製程中，都會承受額外的彎曲應力，因為所有的治具設計都是假設PCB是平的，使用治具測試時，治具反而會給予應力嘗試掰平PCB，而且彎曲變形的PCB對大型零件的焊接也非常不利，尤其是對BGA及LGA這種零件，因為其焊錫會被拉長變細或擠壓變胖，相對的降低其承受應力的能力。
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你知道什麼是SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)？SMD與NSMD有何區別呢？SMD與NSMD又有何優缺點？它們的使用時機又在那裡？
可能很多人會說自己在電子業，有聽說過SMD(Surface Mount Device)電子零件，但不知道什麼是NSMD。其實這裡所說的SMD與NSMD指的是在電路板上面看到的銅箔焊墊或焊盤的裸露方式（pad layout design），這個在以前根本就不會有人在意的PCB焊盤設計上的小細節，在電子零件越做越小且焊點也越來小的趨勢下反而顯得越來越重要。
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那到底什麼是SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)焊墊設計？
現今的PCB焊墊/焊盤(pad)與線路(trace)基本上都是使用銅箔來製作的，但我們在設計PCB時並不會將所有的銅箔都給裸露出來，而只會露出需要接觸或是焊接的焊墊，以避免日後使用上可能的潮濕短路或其他問題，這個時候我們一般會使用所謂的「防焊綠油(Solder-Mask)」來覆蓋住不需要裸露出來的銅箔，所以防焊油印刷的位置精度與能力相對於小焊墊就變得相當重要。
什麼是SMD (Solder Mask Defined)，防焊限定焊墊
SMD（Solder-Mask Defined Pad Design，防焊限定焊墊設計）就是使用solder-mask(綠漆/綠油)覆蓋於較大面積的銅箔上，然後在綠漆的開口處(綠漆沒有覆蓋)的地方裸露出銅箔來形成焊墊(pad)的稱謂。因為這種焊墊的尺寸會取決於綠油開孔的大小，所以才會說是防焊限定焊墊。
什麼是 NSMD (Non-Solder Mask Defined)，非防焊限定焊墊，銅箔獨立焊墊
而NSMD（Non-Solder Mask Defined Pad Design，非防焊限定焊墊設計）又稱為 Copper Defined Pad Design（銅箔獨立焊墊設計）則是把銅箔設計得比防焊綠油的開孔還要小，有點類似湖中島，這樣設計的焊墊大小基本上取決於銅箔的尺寸，因此稱之為獨立銅箔焊墊，也稱非防焊限定焊墊。
那SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)焊墊設計有何優缺點？有沒有說那一種焊墊設計比較好？比較可能解決BGA錫球破裂的問題？
嗯！會這樣問或是有這樣疑問的朋友應該都是公司內有人要求或是遇到了零件焊錫破裂或掉件問題，特別是BGA的錫球破裂問題。
工作熊可以很明確的告訴大家，沒有那一種焊墊設計是可以100％徹底解決BGA錫球破裂問題的，如果想徹底解決BGA錫球破裂問題得從機構設計下手，工作熊知道很多RD都只想靠焊墊設計或是加強焊錫強度來解決BGA錫裂，工作熊的公司也確實試過了很多種，但效果都很有限，最後幾乎都還是靠著機構改善應力影響而得到改善。
SMD與NSMD這兩種焊墊設計其實各有其優缺點，對於焊錫強度、焊墊與PCB的結合力也更有勝場，所以真的不能說那一種焊墊設計比較好。在做比較前，我們先假設SMD與NSMD焊墊設計的面積是一樣大的，這樣比較才有意義。
SMD的優點：
SMD焊墊的實際銅箔尺寸相對NSMD要來得大，而且焊墊的周圍也會使用防焊油覆蓋壓住，所以焊墊與FR4的結合強度相對來說就比較好，在維修或是重工的時候，焊盤也比較不易因為反覆的加熱而脫落。
SMD的缺點：
SMD焊墊的焊錫強度會相對比較差。這是因為其相對吃錫面積變小了，而且SMD焊墊的周圍壓著防焊油，這些防焊油在流經回焊高溫時發生熱脹冷縮，也會影響到焊錫與綠漆交界處的吃錫效果。
受到應力影響時容易從焊墊的表面破裂。
PCB Layout時走線會較困難，因為焊墊之間的間距變小了。
NSMD的優點：
因為NSMD的焊墊為獨立銅箔，在焊錫時除了銅箔的正面會吃錫外，連銅箔周圍的垂直側面都可以吃到錫，相對來說NSMD的吃錫面積就比較大，所以焊錫強度也就相對的比較好。
NSMD的銅箔實際面積相對來說比較小，layout工程師在走線(trace)也比較容易佈線，因為焊墊尺寸相對比較小，trace可以輕易的通過BGA的焊墊與焊墊之間。
NSMD的缺點：
焊墊與FR4的結合力較差，因為其實際銅箔的面積較小，維修、重工時焊盤比較容易因為反覆加熱而脫落。
受到應力影響時，容易從將整個焊墊拉起。
助焊劑、錫珠較容易殘留於未被綠漆覆蓋住的區域。
焊墊/焊盤的尺寸大小實際製作出來時大多不一致，因為焊墊上會有走線(trace)進出，而不同的走線寬度與數量則會造成不同的焊墊面積，不一樣的焊墊大小但使用相同的錫膏量就會造成焊錫不良。當然，這個缺點可以透過修改防焊層來得到改善，但是需要人工手動調整，很多CAD不願意花這個時間，或許也可以要求板廠修改，但羊毛出在羊身上。另外也可以手動個別修改鋼板在每個焊墊的開孔大小以獲得錫膏量的補償，但是最好的方法還是從設計下手，Gerber出來就可以有一致的焊墊大小。
SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)焊墊設計的使用時機為何？
SMD設計的焊墊形狀一般會比較完整，因為它較不受線路(trace)走線的影響，建議small chip小零件與細間腳的焊墊要採用SMD設計上，如0402以下的電阻(resister)、電容(capacitor)、電感(inductor)、二極體(TVS diode)等零件，強烈建議0201及01005必須採用SMD焊墊設計。
工作熊之所以說這類細小零件較不建議採用NSMD，是因為大部分的焊墊都會設計走線來將焊墊與其他的線路連接在一起，這就類似之前舉例的湖中島需要有橋樑連接，這樣才能有電子訊號連通，想像一下一座橋的寬度如果佔據了湖中島1/4～1/5的圓周面積時，這些橋樑可以視為走線的銅箔，這樣子湖中島(焊墊)的形狀是不是就變形了，而且大部分的焊墊的走線都是一進一出，最多可能還有一個焊墊連接3～4走線的，這樣的焊墊幾乎就變成SMD，設計時PCB的佈線工程師可不會想那麼多，防焊的開口一樣會開的比較大，這樣就會造成同一顆零件兩端焊點上的焊墊尺寸變得不一大，chip兩端焊墊不一樣大會怎樣？焊錫的量會不一樣，容易發生墓碑現象(Tombstone)。
其他0603以上尺寸的chip採用SMD或NSMD對焊錫造成的影響其實關係就不是那麼大了，不過如果可以盡量考慮讓同一顆零件上的所有焊墊大小一致，還是會有助焊接品質提升的。
至於BGA應該使用該採用SMD或NSMD焊墊設計，工作熊會建議你先看過這13篇關於【電子零件掉落或BGA錫裂一定是SMT製程問題迷思(1)？錫裂只是應力大於結合力之必然結果】的文章後再來討論。
在你看過工作熊對於BGA錫球破裂的論述之後，你會發現工作熊個人強烈建議BGA的焊墊設計應該採用NSMD+via，而且焊墊上的導通孔(via)必須鍍銅填孔，最好還要盡量加大焊墊的尺寸，如果無法讓BGA所有焊墊都這樣執行，至少要讓BGA最外一排的焊墊這樣設計。
在工作熊的日常工作中，BGA焊錫破裂是最傷腦筋，也是最常被拿出來討論的一個工程問題，其實至今為止似乎仍然還沒有一個最佳的方案可以徹底解決BGA焊錫破裂、功能失效的問題。雖然不能有效解決BGA問題，但溫故總能知新，工作熊這裡把之前寫過的一些關於「電子零件掉落、BGA焊錫破裂」的文章加以整理給自己也給有需要的朋友參考。
期望大家也可以溫故而知新，鑑往而知來，啟發自己的靈感～
(圖片來自網路) 自從BGA芯片封裝被發明出來後，BGA返修一直是個很讓人頭痛的議題，也有很多業者開發出了許多 […]
The post 一文弄懂BGA芯片植球的方法、步驟及注意事項 first appeared on 電子製造，工作狂人(ResearchMFG).
因為現在很多BGA封裝都是PBGA (Plastic Ball Grid Array) ，它們使用環氧樹脂材料來封裝其外型，而載板則使用BT樹脂或ABF (Ajinomoto Build-up Film) 當基材，這些基材的Tg值都不會超過200°C，而現在無鉛的回焊區溫度一般都在220°C以上，也就是說回焊時PBGA可能出現軟化，如果再加上本體溫度分佈不均勻就非常容易發生變形翹曲，最終造成HoP/HIP焊錫不良。
為了避免發生HoP/HIP的焊錫問題，IPC-7530建議要在同一顆有疑慮BGA的不同位置放置測溫點，分別為：
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IPC-7530更建議要進一步管控整個BGA底下所有錫球的融錫時間前後差距不可超過2秒鐘，也就是所謂的【LTD (Liquidus Time Delay) < 2sec】。一般來說越靠近零件中心的錫球(inner ball)因為受本體阻擋熱源，吸熱升溫的速度也就越慢，而越外圍的錫球(outer ball)可以直接吸收到回焊爐熱風源，所以升溫的速度則會比較快。當BGA的錫球分佈出現融錫太大時間不一致時，本體就容易往已經先融錫的一端傾斜，這與電阻電容立碑原因一端拉力過大類似，最終會造成枕頭效應(HoP/HIP)。
不過工作熊個人建議，不只要管控錫球的「融錫時間差(LTD)」，更要順便管控其「固化時間差(STD, Solidus Time Delay)」，其實只要稍加注意調整回焊爐溫度的設定條件兩者就可以同時得到改善，何樂不為。
這是工作熊個人的經驗，就BGA的焊錫來說STD有時候比LTD對Hop/HIP及NWO的影響更甚，LTD太長雖然會讓BGA本體傾斜，但只要「真正融錫時間(True TAL)」夠長，傾斜是有機會可以得到平衡回復的，但如果STD時間太長，BGA本體就可能再次傾斜，而後續已經沒有高溫區可以再訂正這種傾斜了。
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下一篇文章將會探討《如何在SMT測溫板上正確埋設BGA錫球的測溫線?》議題。
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前面的篇幅說明過【BGA封裝零件的吃錫效果對溫度非常敏感】，基本上會要求同一顆BGA的所有錫球必須要同時融化及固化才能有完好的吃錫，因為只要不同的錫球間溫度分佈上稍有不均勻，就可能引起翹區導致HoP/HIP或NWO吃錫不良發生，所以如何在測溫板上面正確埋設BGA的測溫線就變得非常重要。
想要在BGA錫球處正確的埋設測溫線，絕對不要抱有任何僥倖的心理，因為你必須先拆掉原來的BGA封裝，在需要埋設測溫點的PCB焊墊上鑽孔，然後將測溫線從PCB背面穿過鑽好的孔洞，點膠固定測溫線，然後再按照正常程序將BGA封裝植球後再焊回原來的位置。這期間還要保證測溫線無斷裂、運作正常。
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PCBA測溫板埋設BGA錫球測溫線的步驟：
步驟1、拆除BGA。建議使用BGA重工機台，這樣可以避免傷害PCB及BGA本體。
步驟2、PCB焊墊除錫並確認焊墊無脫落異常。
步驟3、在PCB選定的BGA焊墊上鑽孔。建議選用比焊墊還要小的鑽頭直徑，但是要比測溫頭大，因為鑽出來的孔不可以超出焊墊邊緣，還要可以塞得進測溫頭的頭端焊點。
步驟4、將測溫線從PCB的背面插入已經鑽好的小孔到只露出PCB正表面約0.1mm的高度(參考文章最前面的圖片說明)，高度必須超出PCB表面，但不可以超出BGA錫球融化後的高度，也就是說之後的測溫頭要被埋在錫球之中。建議要先檢查測溫線是否運作正常後才作業。
步驟5、使用紅膠或耐高溫膠帶先固定測溫線於PCB。點膠位置距離鑽出來的孔洞約5～10mm。再檢查並確認測溫頭是否落在PCB焊墊的中間且稍微突出PCB表面。
步驟6、BGA重新植球。可以使用原來的BGA，也可以拿一顆新的BGA封裝，這樣就不用重新植球。
步驟7、將BGA重新焊接於PCB原位置。建議使用BGA重工機台，可以有效避免傷害PCB及BGA。
步驟8、用放大鏡檢視焊接後的BGA不可有偏移或高翹等不良現象，並用X-Ray檢視測溫線頭與錫球是否焊接良好，X-Ray建議要傾斜一個角度來檢查測溫頭與錫球焊接不可有分離現象。如果有不良發生則需重做。
步驟9、使用紅膠固定測溫線。用紅膠從PCB背面將測溫鑽孔填滿，建議將紅膠點在孔洞的一側讓紅膠慢慢流進去或使用針頭注入孔洞中以避免形成氣泡。
步驟10、使用紅膠固定BGA。使用紅膠將BGA的四個角落邊緣各以L型固定於PCB，這樣可以延長測溫板的使用壽命。不建議將BGA四周全部用紅膠整個封死，因為我們必須模擬實際情況，紅膠點太多會影響到BGA底下的熱交換效率，影響測溫的準確性。
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「氧化」是焊錫品質的一大殺手，但是氧化又是這個世界上所有元素趨吉避凶（趨向穩定狀態）的一種自然法則，無法避免，而「使用氮氣(N2)隔絕氧氣(O2)接觸」則是目前少數可以有效降低電子零件在高溫焊接時氧化的有效方法。
「氮氣(Nitrogen)」雖然不在8A鈍性氣體元素那一列中，不過在現代化學中，氮氣卻被歸類為「惰性氣體(inert gas)」的一種，它在自然界中非常不活潑，具有不易與金屬產生化合物的特性，而且在大氣中還有78％的佔比，取得的費用相對便宜，所以經常被用來充填在SMT焊接的回焊爐中置換氧氣(oxygen)的含量，少數波焊爐也會用氮氣填充，以減少焊錫或PCB焊墊於高溫時與空氣中的氧氣接觸而產生氧化反應。
將氮氣運用在回焊爐及波焊爐焊接雖然對焊接品質會有所提昇，好處也不少，但添加氮氣卻也不是百分百都是正向沒有缺點的。
下面工作熊收集整理氮氣對各種SMT焊接不良的影響與效果：
「錫珠」也稱「焊珠」是相當常見的焊錫缺陷之一，它經常出現在零件本體的下方，尤其是在小電阻、小電容等small-chip本體下兩個端點的中間側面。
這是因為高溫時錫膏內含的助焊劑會迅速轉變成氣體揮發並帶著部份的錫膏往外側移動（想像氣炸的情形），於是在零件本體與PCB間的小縫隙下就會形成分離的錫膏區塊，回焊時零件下方因為沒有焊墊可以吸引熔融的錫膏，再加上零件本體的重量擠壓，於是分離的熔融錫膏就從零件的本體下方冒出並在其邊緣上形成小錫珠。
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錫珠形成的另外一個主因則是【錫膏氧化】，由於現在電子零件大小差異巨大，在開鋼板的工藝中為了配合小零件採用較薄的鋼板，而針對大零件焊腳則採用外擴在增加錫膏量，一旦錫膏開封過久或是暴露於空氣中過久，就容易造成錫膏氧化及助焊劑部份揮發，當錫膏熔融時表面形成了較厚的氧化層，進而降低了錫膏的活性，使得熔融錫膏無法藉由內聚力將外擴的焊錫完全牽引回到本體，這些留存在焊墊外的焊錫就會形成獨立的錫珠。
在回焊爐中填充氮氣，無論是那一種錫膏，其錫珠出現的數量都會有所減少。這應該是因為低氧環境下有效降低了錫粉顆粒表面氧化膜的形成，讓錫粉間可以更好更快的融合在一起，降低了助焊劑噴濺時帶出的錫量。
另外，氮氣也可以有效的抑制PCB焊墊/焊盤在回焊高溫時氧化的程度，尤其針對第二面回流焊品質的提昇更佳，因為只要焊墊容易吃錫，就可以有效回收外擴的焊錫。
同「錫珠」類似的道理，在QFN中央位置的接地焊點容易出現空洞/氣泡現象，除了一些設計上留存導通孔(vias)造成氣泡或吃錫不足者，由於焊墊/焊盤表面在氮氣條件下可以有更好的潤濕，所以空洞率自然就減少。其次，氮氣讓錫粉間彼此可以更快速的潤濕也可以更有效地排出在回流焊熔融狀態下氣體無法逸出的問題。
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回焊爐中填充氮氣對於降低BGA錫球的氣泡也有同樣的效果。
但是，上述的結果並不一定完全適用於所有的焊點。曾經看過添加氮氣後反而增加BGA氣泡空洞率的例子。也許是我們對於BGA錫球氣泡形成的原因還不夠透徹吧！
葡萄球或葡萄珠現象(Graping)一般是指在回焊中錫膏沒有完全互相融合焊接在一起，反而聚集變成一粒粒各自獨立的錫珠並堆疊在一起，形成類似葡萄球串的現象。
葡萄球現象的形成通常來自錫膏本身氧化或是錫膏中助焊劑提前揮發以致錫粉表面的氧化膜太厚而無法被突破或完全清除以達成互相熔融的事實。隨著電子零件越做越小，錫膏的印刷量也跟著越來越少，相對地錫膏中錫粉直接暴露在空氣中的表面積比率也就明顯增加，如果使用更小的錫粉直徑（更大的號數），錫粉表面積氧化比率也會更高。
想像10顆與100顆玻璃珠分別用膠水堆在一起成為方塊的樣子，100顆一堆的玻璃珠中被包覆在內層的比率是否比10顆玻璃珠來得多，而錫膏中的錫粉就像玻璃珠一樣，膠水則是助焊劑。堆疊的錫膏處於越最外層的錫粉則容易與空氣接觸而發生氧化，內層的錫粉則可以互相融合。這也是為何有些焊錫看起來有葡萄球現象卻未影響產品的功能。
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在回焊爐中添加氮氣可以降低錫粉在回焊爐中氧化的風險，但如果錫膏已經提前氧化、或是其助焊劑無法發揮保護錫粉清除氧化的作用，那麼添加氮氣對葡萄球現象是沒有幫助的。
相關延伸閱讀：什麼是SMT葡萄球珠現象(Graping)？該如何解決？
「枕頭效應(HIP/HoP)」的形成原因最主要是BGA零件在回焊(Reflow)的高溫過程中，BGA載板或是電路板因無法任受高溫而發生板彎、板翹(warpage)或是其他原因變形，使得BGA的錫球(ball)與印刷在電路板上的錫膏分離，當電路板經過高溫「回焊區(reflow zone)」後冷卻，BGA載板與電路板的變形也慢慢回復到之前的狀況，但這時的溫度早已低於熔錫溫度，於是便形成類似一顆頭靠在枕頭上的虛焊或假焊的焊接形狀。
另一種可能原因是BGA錫球已經發生些微的氧化，當錫膏的助焊劑活性不足以清除BGA錫球上的氧化層，就會阻擋錫膏與BGA錫球融合，最終造成兩個球靠在一起的現象。
在回焊爐添加氮氣則可以部份解決因為助焊劑活性不足問題，但對於因為電路板或BGA載板變形而造成的HoP/HIP則無濟於事。
相關延伸閱讀：BGA枕頭效應(head-in-pillow,HIP)發生的可能原因與機理
回焊爐中添加氮氣，基本上一定有助焊接潤濕的提昇。氮氣對潤濕的基本作用有二：
但如果錫膏及電路板的焊墊在進入回焊爐前就已經變質或氧化，就算氮氣再厲害，應該還是無法做到起死回生地步的。
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另外，這裡有個可能讓你感到困擾或有興趣的現象：在添加氮氣的環境下零件引腳的爬錫高度將會低於空氣環境（未開氮氣）。怎麼會這樣？這是因為氮氣雖然有效地潤濕了電路板的焊墊，但可能也因為氮氣下焊錫在焊墊上的擴散效果太好，反而影響到零件引腳的爬錫高度。就類似「水往下流」的趨勢一樣，焊錫會越加地往容易吃錫的地方移動，既然焊墊變得容易潤濕吃錫了，何必再克服重力往引腳上面爬呢。
相關延伸閱讀：PCB及電子零件焊錫吃得好不好(潤濕、不潤濕、縮錫、退潤濕)的原理是什麼？
墓碑效應(Tombstone)是因為同一個零件兩端融錫時間不一致，最終造成兩端受力不均，以致一端受力較大為支點舉起零件另一端懸空而成。
基於以上論點，墓碑效應通常會落在那些一端有著大面積佈銅，另一端只有小銅箔的零件上，因為佈銅面積大小不同直接影響了焊墊的受熱程度，讓融錫出現時間差，一旦先融錫端的力距超過了零件重心重量，立碑現象於焉而生。
另外，錫膏量印刷於兩端不一致、或是印刷偏移、或是置件偏移都可能造成墓碑效應。
在回焊爐中添加氮氣通常會使得焊墊的潤濕變快變好，但也可能加大融錫的時間差，使得立碑的零件變多且變得嚴重。可以嘗試關閉氮氣看看是立碑情形是否有改善。
相關延伸閱讀：電阻電容小零件發生空焊及立碑(墓碑效應)的原因
延伸閱讀：
SMT回焊爐加氮氣(N2)的優缺點探討
整理幾種常見PCB表面處理的優缺點
無鉛噴錫板(HASL)上錫不良原因(資料收集)
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回焊後焊點處出現波紋狀的皺褶或龜裂現象是怎麼造成的?
ENIG表面處理PCB焊墊的兩大潛在問題(黑鎳與富磷層)及預防措施
In the previous article, we talked about "How to Increase the bonding force for PCBA by using "Copper" base as the PCB surface finish“. Today, we will discuss further how the SMD (Solder Mask Defined) and NSMD (Non-Solder Mask Defined) pad designs of the BGA package affect the solderability and how these two types of pads affect the bonding force of PCA.
Increasing the solder contact area of a component terminal or leads will generally improve the solderability of the component, as it provides more surface area for the solder to wet and bond to the terminal. This can result in a stronger and more reliable solder joint.
However, it’s important to note that there are other factors that can also affect solderability, such as the type of surface finish on the component terminal and the solderability of the solder itself. So while increasing the solder contact area can be beneficial, it may not be the only factor to consider when trying to improve the solderability of a component.
II. Increasing the solder contact area of the component’s terminals or leads
Please note: what I mentioned here is to increase the contact area of the component’s solder terminals or leads, not to increase the amount volume of solder.
Before reading this article, it is recommended that you refer to the article of "Concept Clarification of Electronic Component Soldering Strength" by workingbear first.
Workingbear must emphasize again: "The soldering strength is basically proportional to the soldering contact area". Without considering the replacement of the solder paste formula and the surface finishes of the PCB (Printed Circuit Board), there are two key points to enhance the soldering strength of the component:
If only more solder is added to the solder balls of the BGA, its solder strength will not increase basically, because its solder pad contact area remains the same. For SMD components with leads (such as QFP) or side solder terminals (such as the capacitor), increasing the amount volume of solder may increase its solder strength, because the leads of these SMD components have side terminals that may have solder climb up to higher position and increase the solder contact area.
If the solder amount can be increased to allow the solder to form a complete curve on the side of the solder foot, the solder strength can be effectively increased. Just like adding a support on the side of a tree or a utility pole to prevent it from falling down in the event of a typhoon, adding an R angle at the corner of a mechanism design is also the same principle, and the arc-shaped solder can effectively disperse stress.
Therefore, if increasing the amount of solder can allow the solder to climb up the sides of the solder terminals or leads, and even make the side solder climb higher to completely cover the solder leads, then its strength will increase significantly. This is much better than just welding at the bottom of the solder leads because you have increased the soldering area and its soldering structure has been strengthened.
Unfortunately, the side walls of most SMD component leads are not electroplated directly on bare copper due to cost considerations, which causes them to easily oxidize and cannot be soldered. Otherwise, they are electroplated, but the pitch between the lead is too small, causing the design of the PCB solder pad to be afraid of short-circuits and unable to extend so that the solder cannot completely climb up its side to form a perfect arc.
Since climbing solder on the side walls of the solder lead can increase the solder contact area and strength, many people focus on the grounding foot (GND), such as increasing the circular or semi-circular holes on the ground pin of the B2B connector at both ends or designing it into a "U" shape, which all have the opportunity to increase its solder strength.
Since we’re talking about how increasing the soldering contact area can help to enhance the strength of the solder, we have to briefly mention the pros and cons of SMD and NSMD pad designs for BGA packaging on the PCB side.
Please note that we should not confuse the "SMD (Solder Mask Defined) pad" with the "SMD (Surface Mount Device) component" here.
Assuming that the exposed area of SMD and NSMD pad designs is the same, the solderability of NSMD pads should be better than that of SMD pads. As mentioned earlier, this is because NSMD pads will wet the side walls of the pads during soldering, while SMD pads do not have side walls due to being covered by the solder mask. (NSMD is also called "Copper Defined pad.")
But don’t rush to change all BGA pads to NSMD designs immediately because there is no perfect solution if BGA cracking! In this fair world, even if the exposed pad surface of SMD and NSMD seems to have the same size, the actual size of the SMD pad is much larger than that of NSMD (depending on the layout design). This is because a large part of the SMD pad is covered by the green solder mask actually, and it is easy to be deceived if you don’t look carefully. Because the size of NSMD pads is relatively small, almost only slightly larger than the solder balls of BGA, the ability of SMD pads to withstand pulling force will be relatively poor. Once the BGA solder ball breaks, it is often seen that the NSMD pads are pulled up together with the solder balls.
As mentioned by the workingbear before, stress will find the weakest point to release. When the pad changes from NSMD to SMD and the soldering strength increases, the ability of the solder IMC layer to resist stress becomes greater than the bonding force of the PCB copper foil attached to the substrate (because the size of the SMD pad becomes smaller), and the breaking point shifts to between the pad and the FR4 substrate. Therefore, the workingbear still believes that if you want to completely solve the problem of BGA cracking, you should try to reduce stress, which is the only way to achieve the best improvement.
Therefore, the conclusion is that NSMD pads have better solderability than SMD pads, while the bonding strength of SMD pads is better than that of NSMD pads.
In fact, no matter how much the solder strength of electronic components using surface mount technology (SMT) is improved, its ability to resist stress is limited. To further increase the strength of the solder, the stress needs to be transmitted to other structures through mechanism design. The most effective way to achieve this is to design the pins as upright plated through-holes (PTHs), so that the stress on the pins can be transferred to the hole walls of the printed circuit board (PCB) for support, which in turn can increase the strength of the solder. The common practice is to change some of the surface-mount soldering of the component pins to through-hole soldering, such as the iron frame soldering pins of Micro-USB connectors. They still go through the SMT process, but some of the pins are produced using the paste-in-hole (PIH) process. The latest Type-C connectors also have parts with a mix of through-hole and surface-mount soldering.
In addition, for ball grid array (BGA) packaged components, we can consider to layout vias on the pads, just like a rivet to fix the pad on the FR4 material. This is similar to the idea of anchoring a house with ground screws to prevent seismic damage. However, the vias on the solder pads must be electroplated and filled, otherwise, the BGA’s solder balls may form voids or bubbles, which can lead to severe defects, such as the head-in-pillow effect.
Recommended reading: Principles of via-in-pad handling.
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