BGA 防裂設計怎麼做：板子剛性、焊墊、擺放、組裝支撐與底部填充怎麼取捨，從量應變到驗證的 5 個階段

BGA 焊點被彎裂，多半發生在板子被彎得太多、太快的那一站：分板、插件、線上測試、鎖螺絲、搬運都有可能。設計端能做的有五件：先用應變計量出哪一站彎較多；讓板子少彎（板厚、擺放位置、彎曲方向）；焊墊的設計會改變裂在哪裡，多次回焊與較脆的板材風險較高；測試、組裝與散熱片的壓力要撐住、要算；底部填充有效，但板子中央彎得太大時效果有限，也讓重工變難。改完之後，要在同一站、同一個位置再量一次應變。 本文談的是電路板組裝時與組裝後，怎麼從設計端降低 BGA 焊點與焊墊被彎裂的機會；錫裂發生後怎麼判斷原因、熱循環的壽命評估、各家膠材的比較，不在範圍內。分成 5 個階段：

• 階段①｜先量出哪一站彎較多： 應變計貼在 BGA 角落旁邊，跑一遍分板、組裝、測試與搬運。
• 階段②｜讓板子少彎： 板厚與剛性、擺放位置、彎曲方向。
• 階段③｜焊墊與板材： 焊墊的定義方式會改變裂在哪裡；多次回焊與較脆的板材風險較高。
• 階段④｜組裝與機構的支撐： 測試、分板、鎖螺絲與散熱片的壓力；治具、外殼與周轉時把板子撐好。
• 階段⑤｜底部填充與驗證： 什麼時候加、效果與代價；改完再量一次。

下面每個階段寫：怎麼做、公開資料怎麼說，有對應時再寫嘉鴻能幫的；來源、例外與整理放在文末的「備註」。此為一般情況，仍需視個案而定。

階段①：先量出哪一站彎較多

怎麼做：

• 先挑要量的零件：挑大者、怕彎的 BGA；零件很多時，一份量測儀器廠的簡報建議挑墊底的三顆，並把過去的經驗放進來（來源 4）。
• 應變計：用三個方向（0°、45°、90°）疊在一起的花型應變計，才算得出主應變峰值（來源 4）。
• 貼在哪裡：BGA 四個角都量；應變計貼在離焊點 6 到 10 mm 的地方，柵線和焊球的排列方向平行（來源 4）。
• 怎麼貼：先把表面的塗層銑掉，必要時用砂紙打粗，清潔後再黏（來源 4）。
• 跑哪幾站：分板、各種插件與組裝、線上測試（ICT）的探針下壓、運輸，都是受力的時候（來源 4）；鎖螺絲、壓接連接器、裝箱也一起量（本文的整理）。
• 取樣要夠快：至少 500 Hz，建議 2 kHz（來源 4）。
• 看兩個數：主應變峰值，和應變變化有多快（應變率）；兩個都會影響壽命（來源 4）。
• 上限由誰定：通常由使用者與供應商講定，有些關鍵零件的廠商會公布自己的上限（來源 4）。
• 不要只看電性：焊墊下方的板材裂開，電性測試與非破壞檢查都看不出來；用電阻變化定出的上限會高估（來源 1）。

公開資料怎麼說： 一家量測儀器廠介紹 IPC/JEDEC-9704A 的簡報寫到：電路板製造時，安裝的彎曲、各種插件、分板時的瞬間應變峰值、線上測試探針下壓太硬，都可能讓 BGA 焊點裂開或脫落；量測點選在被固定住的角落、板子較硬的區域（例如電容附近，較大的零件會讓板子變硬）、焊點附近；BGA 四個角都量、離焊點 6 到 10 mm、柵線與焊球排列平行；取樣至少 500 Hz、建議 2 kHz；壽命除了看主應變峰值，也受應變率影響；上限由使用者與供應商講定，那份標準有依應變率與板厚畫的界線（備註表 1）。一家網通設備公司的工程師寫的論文（頁面沒有寫發表在哪個研討會）寫到：焊墊下方板材的細微裂紋，可能在組裝、測試、搬運時的過度彎曲或衝擊下產生，電性測試與非破壞檢查都偵測不到，之後可能繼續擴大而失效。

階段②：讓板子少彎

怎麼做：

• 板厚與剛性：板子越硬，同樣的力彎得越少；一所大學的振動試驗裡，1.6 mm 板上焊球的壽命是 1 mm 板的三倍以上（來源 3）。
• 看清楚試驗條件：那是低振幅的振動共振試驗，不是彎曲或摔落（來源 3）；加厚之後，重量、成本、孔與連接器的設計都要重算（本文的整理）。
• 擺放位置：大型 BGA 離開分板線、板邊、螺絲孔與連接器，這些地方在組裝時彎得至多或受力集中（本文的整理；來源 4 把被固定的角落、大零件附近較硬的區域列為高風險的量測點）。
• 彎曲方向：那篇網通設備公司的論文發現，全部用 NSMD 焊墊時，彎曲沿著零件的對角線，焊墊下方的板材比較容易裂；角落改 SMD 時，方向的影響可以忽略（來源 1）；排板時，讓分板線這類主要的彎曲方向不要對著大型 BGA 的對角線（本文的整理）。
• 封裝本身：同一篇論文拿作者先前試過、尺寸相近的一顆打線 BGA 比較，那顆的應變上限明顯比這顆較硬的覆晶 BGA 高；作者因此認為，除了封裝尺寸與球距，封裝的剛性對應變上限影響很大（來源 1；這只是兩顆封裝的比較）。
• 固定點：螺絲與支撐點的位置決定板子怎麼彎；BGA 附近要有支撐，避免一邊鎖死、一邊懸空（本文的整理）。

公開資料怎麼說： 一所大學的研究（2022 年）用振動共振試驗比較兩種板厚（實驗是 1 mm 與 1.6 mm 兩個樣品，模擬另外加了 2 mm 板），板子加硬之後，焊球的壽命在模擬與實驗都超過三倍；作者寫明結論來自兩個樣品、激振振幅很低（0.5 G），並引用其他研究指出振幅加大時失效模式可能不同，建議後續研究不同振幅下的失效模式（備註表 2）。前面那篇網通設備公司的論文寫到：全部用 NSMD 焊墊時，彎曲沿零件對角線，焊墊下方板材裂開的傾向較高（角落改 SMD 時，方向的影響可以忽略）；拿作者先前試過的一顆打線 BGA 比較，認為封裝的剛性對應變上限影響很大。

嘉鴻能幫的：

• 板子平不平、載具有沒有翹，嘉鴻已上線的〈白光結構光厚度與形變量測｜載具翹曲、板翹與錫膏厚度的非接觸檢測〉介紹非接觸地量整片載具與板子高低差的方法（頁面寫系統目前在常溫下量測）。

階段③：焊墊與板材

怎麼做：

• 兩種焊墊：防焊開口比銅墊大、銅墊邊緣露出來的叫 NSMD；防焊壓住銅墊邊緣的叫 SMD。
• NSMD 的好處：一家半導體廠的應用說明建議用 NSMD，理由是焊錫可以抓住銅墊的面積加上側邊（來源 5）。
• NSMD 的代價：那篇網通設備公司論文的試驗裡，全部用 NSMD 時，彎曲造成的失效都是焊墊下方的板材裂開（來源 1）。
• 角落改 SMD 不一定比較好：同一篇論文把角落改成 SMD，失效變成介金屬層斷裂與板材裂開混合，電性失效時的應變反而明顯較低（來源 1）。
• 多次回焊：同一篇論文，回焊三次後，板材裂開與介金屬層斷裂都更容易發生（來源 1）；雙面板與重工都會增加回焊次數（本文的整理）。
• 板材：無鉛製程用的酚醛硬化板材，比傳統錫鉛製程用的雙氰胺硬化板材脆（來源 1 引用的資料）；選板材時，向板廠問這一點（本文的整理）。
• 角落的球：有些封裝把角落的球設計成不影響功能的球，角落先裂時不會馬上失效；選零件時，可以把這一點列進比較（本文的整理）。

公開資料怎麼說： 一家半導體廠的 BGA 電路板設計應用說明建議 NSMD 焊墊，理由是蝕刻銅墊比防焊開口好控制，而且焊錫能附著在焊墊面積與側邊。前面那篇網通設備公司的論文用 40 × 40 mm、1 mm 球距的覆晶 BGA 做四點彎曲試驗，發現焊墊設計決定了失效模式：全部 NSMD 時都是板材裂開；角落改 SMD 時，變成介金屬層斷裂與板材裂開混合，電性失效應變明顯較低；全部 NSMD 時，回焊三次、彎曲沿對角線，都提高板材裂開的傾向；角落 SMD 時，方向的影響可以忽略，多次回焊同樣降低失效應變。另外，它把回焊三次後的樣品、用聲發射偵測到的失效應變做韋伯分布擬合，以 1% 失效率估算：全部 NSMD（沿邊與沿對角線）與角落 SMD 沿邊這三組，應變上限都在 1250 到 1350 微應變；只有角落 SMD 且沿對角線那一組約 850 微應變，作者推測那一組以介金屬層脆斷為主（備註表 2）。

階段④：組裝與機構的支撐

怎麼做：

• 測試與分板：線上測試壓床下壓、分板時，BGA 下方要撐住，讓壓力不要變成彎曲（來源 4 把這兩站列為受力的時候；撐住的做法是本文的整理）。
• 鎖螺絲與壓接：鎖螺絲、壓接連接器時，板子下方也要撐住（本文的整理）。
• 散熱片的壓力：那份半導體廠的應用說明寫，對它自家的 BGA 封裝，一次性的下壓力（例如裝散熱片）每顆球不超過約 20 g，持續的壓力每顆球不超過約 4 g，前提是電路板有撐好、不會彎或拱起（來源 5）。
• 外殼內的支撐：產品裝進外殼後，BGA 附近的支撐柱或肋可以讓按壓與摔落時板子少彎；但如果只頂住一邊，局部可能彎得更厲害，改了要再量（本文的整理）。
• 周轉與搬運：板子放在 Tray 盤、載具或台車上時要放平、撐好，不要疊壓（本文的整理；來源 4 把運輸列為受力的情況）。
• 改完再量：治具或機構改完，在同一站、同樣的應變計位置再量一次（本文的整理）。

公開資料怎麼說： 前面那份量測儀器廠的簡報，把分板時的瞬間應變峰值、線上測試探針下壓太硬、運輸時的靜態負載與振動，都列為電路板受力的情況；那份半導體廠的應用說明寫，它自家的 BGA 封裝，散熱片這類一次性的壓力每顆球約 20 g 以內、持續的壓力約 4 g 以內，前提是電路板有撐好，並註明這只是參考值、可能要再調整（備註表 3）。

嘉鴻能幫的：

• 測試、分板或組裝用的治具要客製時，嘉鴻的〈製程・治具設計〉頁寫「標準品解決不了的，交給我們評估、設計、做出來。」；頁上的「怎麼開始」列了：「一句話或一張手機照片就能開始」「告訴我們幾個數字」（尺寸、數量、使用環境、現在卡在哪）「工程部回覆做不做得出來、怎麼做」「需要的話先小規模驗證再擴大」。
• 周轉用的 Tray 盤，嘉鴻的〈Tray 盤規格不符、內高不夠？嘉鴻提供客製設計改善方案〉寫「嘉鴻關係企業的工程部門，可以從結構設計階段介入」。
• 嘉鴻替客戶做過的設計，整理在〈設計案例〉：「嘉鴻替客戶設計、做出來的東西：每篇寫清楚前因後果，附實測數字。」

階段⑤：底部填充與驗證

怎麼做：

• 先把彎曲降下來：一篇底部填充膠廠與半導體廠合寫的文章，結論建議詳細考慮板子的機構設計與產品結構，把彎曲降到低點（來源 2；把這一步排在加底部填充之前，是本文的整理）。
• 底部填充的效果：同一篇文章，熱循環（−40 到 125 °C）下，第一顆失效從 358 次延到 2,254 次；摔落在板子中央以外的兩區明顯改善，彎曲在其中一區從數千次延到數萬次（來源 2）。
• 效果有限的地方：板子中央彎幅居首的位置，摔落與彎曲加了底部填充，改善並不明顯；那篇文章寫，超過某個應力之後，加底部填充幾乎沒有幫助（來源 2）。
• 代價：加了底部填充，零件很難重工；製程多一道點膠與硬化，也要確認膠和助焊劑殘留不會互相影響（本文的整理）。
• 只點角落或四邊：也有只在角落或四邊點膠的做法，比全部填滿容易檢查與重工，效果要自己驗證（本文的整理）。
• 驗證：改完之後，在階段①同樣的站、同樣的位置再量一次應變，對照講定的上限；摔落、彎曲、熱循環的可靠度試驗照產品規格做（本文的整理）。

公開資料怎麼說： 一家底部填充膠廠與一家半導體廠合寫的產業雜誌文章（網址標示 2005 年 2 月）用 0.5 mm 球距、84 顆球的小型 BGA（一塊板子 10 顆），比較有沒有底部填充：熱循環每種條件 3 塊板，摔落與彎曲每種條件只有 1 塊板；熱循環 −40 到 125 °C 時，第一顆失效從 358 次延到 2,254 次、特徵壽命從 556 次延到 11,001 次；摔落與彎曲時，板子中央那一區改善不明顯；摔落在另外兩區明顯改善，彎曲在第二區從數千次延到數萬次；結論建議詳細考慮板子的機構設計與產品結構，把彎曲降到低點，並降低焊點、零件與板子之間的熱膨脹差（備註表 3）。

嘉鴻能幫的：

• 底部填充（底膠）的前處理、氣泡與放行門檻，嘉鴻已上線的〈覆晶底膠（Flip-Chip Underfill）量產實務｜電漿前處理、氣泡對策與放行門檻〉以覆晶封裝為例整理過；板子上 BGA 的底部填充，請以膠材廠的資料為準。

常見問題

Q1：BGA 焊點被彎裂，多半發生在哪一站？

多半在板子被彎得太多、太快的那一站：分板、插件、線上測試（ICT）的探針下壓、鎖螺絲、壓接連接器與搬運。設計前先用應變計量出哪一站彎得較多，再決定改哪裡。

Q2：BGA 應變要怎麼量？

一份量測儀器廠的簡報建議：挑大顆、怕彎的 BGA，用三個方向疊在一起的花型應變計，四個角都貼，貼在離焊點 6 到 10 mm、柵線和焊球排列方向平行；先銑掉表面塗層、清潔後再黏，跑分板、插件、ICT、運輸這些受力的時候。

Q3：NSMD 和 SMD 焊墊，哪種比較不容易裂？

各有代價。一家半導體廠的應用說明建議用 NSMD，因為焊錫可以抓住銅墊面積加側邊；但一篇網通設備公司的論文試驗裡，全部用 NSMD 時，彎曲造成的失效都是焊墊下方的板材裂開；角落改成 SMD 後，電性失效時的應變反而明顯較低。

Q4：BGA 加底部填充（Underfill）一定有效嗎？

不一定。一篇底部填充膠廠與半導體廠合寫的文章裡，熱循環下第一顆失效從 358 次延到 2,254 次；但在板子中央彎幅大的位置，摔落與彎曲加了底部填充改善並不明顯。加了之後零件也很難重工，所以先把板子的彎曲降下來，再考慮底部填充。

備註：來源與例外

以下給需要核對的人看，不看也不影響上面的做法。您的產品規範、零件廠與板廠的規格、客戶講定的應變上限，和本文不同時，以它們為準。

各階段的出處

表 1｜應變量測

來源：見各列。

表 2｜少彎、焊墊與板材

來源：見各列；來源 1 的數字只代表那顆 40 × 40 mm 覆晶 BGA 與那塊板子。

表 3｜支撐與底部填充

來源：見各列。

例外與限制

• 看到什麼、沒看到什麼：本文讀到的是 5 份公開資料（一篇網通設備公司工程師的論文、一篇產業雜誌文章、一篇大學研究、一份量測儀器廠的簡報、一份半導體廠的應用說明），以及嘉鴻的製程・治具設計頁、設計案例分類與已上線文章。沒有讀到 IPC/JEDEC-9704A 與 IPC/JEDEC-9702 的全文；應變上限與量測方法，以標準全文、零件廠與客戶的規格為準。
• 來源的立場：來源 2 有一部分作者任職於賣底部填充膠的公司；來源 4 是賣應變量測設備的公司；來源 5 是賣零件的公司。
• 數字只代表那次試驗：來源 1 的應變上限只代表那顆 40 × 40 mm 覆晶 BGA 與那塊板子；來源 2 是 0.5 mm 球距、84 顆球的小型 BGA，摔落與彎曲每種條件只有 1 塊板；來源 3 是兩個樣品、低振幅的振動試驗，不能直接套到彎曲或摔落；來源 5 的每顆球壓力，是那家半導體廠對自家 BGA 封裝的參考值。
• 兩份觀察的角度不同：來源 5 從焊錫附著看、建議 NSMD；來源 1 從板材裂開看，全部 NSMD 時都是板材裂開、角落改 SMD 時換成介金屬層斷裂與板材裂開混合、電性失效應變更低，它沒有建議用哪一種。要用哪一種，請向封裝廠與板廠確認。
• 本文的整理：階段①的鎖螺絲、壓接與裝箱也量；階段②的加厚代價、擺放位置、彎曲方向與固定點；階段③的回焊次數、問板廠與角落的球；階段④的撐住的做法、外殼內的支撐、周轉與改完再量；階段⑤的先降彎曲再加底部填充的順序、代價、只點角落或四邊與驗證，是本文的整理；其餘句子都能在來源或嘉鴻的頁面找到對應的敘述。
• 範圍：本文只談組裝時與組裝後的彎曲；錫裂發生後怎麼判斷原因、熱循環的壽命評估、各家膠材的比較，不在範圍內。
• 嘉鴻的頁面：「嘉鴻能幫的」只寫站上已發佈頁面的原句。

本文為一般情況的整理，不是標準條文的轉述，也不是對某一家零件廠、膠材廠或量測設備商的背書，更不構成對您產品與製程的保證。請以您的產品規範、零件廠與板廠的規格、客戶講定的應變上限，以及您自己的驗證為準；此為一般情況，仍需視個案而定。