導通孔在墊(Vias-in-pad)的缺點及處理原則

「導通孔在墊(vias in pad)」是個令電子製造工廠非常頭疼的問題,尤其是通孔放在BGA(Ball Grind Array)焊墊(pad)的時候,但設計單位往往基於其其設計上不能克服的理由而要求組裝工廠照做。「導通孔在墊(vias-in-pad or vias-on-pad)」是個令電路板組裝製造工廠非常頭疼的問題,尤其是導通孔(via)放置於BGA(Ball Grind Array)焊墊(pad)的時候,但設計單位往往基於其設計空間不足,或其他難以克服等理由而強迫要求SMT組裝工廠照單全收。

其實隨著電子產品的越做越小,電路板的密度也越來越高,就連電路板的堆疊層數也是越來越多層,所以很多佈線工程師(CAD layout engager)不得已就把導通孔擺放在了焊墊的上面,尤其是球間距小的BGA焊墊(pad)更是沒有多餘的空間可以擺放導通孔。

相關延伸閱讀:
PCB名詞解釋:通孔、盲孔、埋孔
電路板上為何要有孔洞?何謂PTH/NPTH/vias(導通孔)

如果這些導通孔是擺放在不需要吃錫的零件焊墊上或許還沒有太大的問題,但如果將導通孔(via)擺放在需要吃錫的焊墊上(Vias-in-pad)就會對SMT及製造工程師帶來大災難,因為它有很大機會影響產品焊接的可靠度,還會引起下列的種種的品質問題,到最後回馬槍還是會打到RD的身上







  • 如果導通孔被放置於BGA的焊墊上,很有可能形成HIP(Head-In-Pillow)(枕頭效應或雙頭效應)、NWO(Non-Wet Open)或焊球內部氣泡(Bubbles)。
    因為錫膏印刷在導通孔時會把空氣封閉在導通孔內,當電路板流經回流焊(reflow)爐高溫區時,導通孔內被關起來的空氣則會因熱而膨脹並試圖逃逸,有些逃不出去的空氣就會在BGA的錫球內吹風形成孔洞(Void/bubble),嚴重的話甚至會造成枕頭效應(head in pillow)的不良現象。
  • 導通孔內積留的空氣,在流經 reflow oven (回焊爐)時,空氣會受熱膨脹而有爆孔(out-gassing)的危險。
    這通常發生在預熱不良的 reflow profile,當升溫太快空氣快速膨脹,氣體無法有效逸出,最後就會爆出錫球外面。
  • 錫膏會因為毛細現象(pertaining to capillary)而流到導通孔內部,造成焊墊表面必須焊接的錫量不足或缺焊等現象;錫膏甚至可囊流到板子對面,造成短路的情形。

    導通孔在墊(Vias-in-pad)的處理原則

    以上說明【vias-in-pad】的種種缺點,可是隨著電子產品設計越來越小,佈線工程師對於電路板上的領土已到了輜銖必較的地步,這時候製程上還是有些可以妥協的空間。

    所以也就有了一些變通的方法來處理焊墊上的導通孔設計,下面圖示由A~E分別表示五種導通孔的現象及其對SMT製程的影響:

 通孔在墊(vias-in-pad)的五種設計

  • A) 導通孔完全沒有處理
    這應該不會被製造工程師所接受,因為錫在受熱之後會流經此導通孔,造成焊錫不足、空焊等不良現象,而且錫量完全無法控制,更可能影響到板子另外一面的零件,造成短路。
  • C) 盲孔(Blind hole)
    勉強可以用,但還是有很大的風險,錫量可以被控制,但錫膏覆蓋於半埋孔之上時,會把空氣封鎖在半埋孔內,當電路板經過回焊爐(reflow)加溫後,空氣會因膨脹而爆開錫膏,或形成逸出通道,短期使用可能沒問題,但長期使用之後,可能會從逸出通道的地方慢慢裂開,最後造成接觸不良。
  • B)、D)是最好的導通孔設計。
    錫膏焊墊上面沒有孔洞影響錫膏量,也不會額外形成氣泡。
  • E) 電鍍填孔。可以使用,但價格較貴。
    可以在電路板後製程再加一道銅電鍍的製程,把半埋孔或通孔填補起來,填補的洞孔位置會稍有下陷(dimple),所以必須要求控制在一定尺寸之內,尤其是有 0.5mm pitch BGA 的板子。要注意:這種製程的板子一般會增加大約7~10%的價錢。
    部分BGA佈線時為了加強焊墊附著於電路板的強度也會採取將通孔設計於BGA焊墊中心並做電鍍填孔的方法,就類似在焊墊上打一顆鉚釘以增加其附著於PCB的強度。

以下是以最近很夯的QFN中間接地焊墊為例子說明,現在的QFN大部分被拿來當成電源控制器,所以其接地及散熱的要求也就特別高,像這樣密密麻麻的通孔,如果直接拿去印刷錫膏過爐,最後出現各種千奇百怪的不良現象一點都不會覺得奇怪。

↓這是最不好的設計,貫穿通孔直接擺放於QFN的接地散熱墊上,製造上無法確保其錫量,也就無法確保焊接良好。

↓這也是不好的設計,但部份通孔已經用綠漆(mask)蓋上,但仍有部份通孔未塞孔。

↓這個設計勉強可以接受,只剩下正中間一個通孔沒有塞孔,而且孔徑也變小了。

這是最不好的通孔設計,貫穿通孔直接擺放於QFN的接地散熱墊上,製造上無法確保其錫量,也就無法確保焊接良好。 這也是不好的通孔設計,但部份通孔已經用綠漆(mask)蓋上,但仍有部份通孔未塞孔。 這個通孔的設計勉強可以接受,只剩下正中間一個通孔沒有塞孔,而且孔徑也變小了。

如果你還是不太了解via-in-pad是怎麼一回事會造成什麼問題,這裡有一段影片可以幫助你更了解錫膏是如何留到via中並造成可能的問題。


延伸閱讀:
迴流焊的溫度曲線 Reflow Profile
讓通孔元件/傳統插件也走迴焊爐製程(paste-in-hole)
增加焊錫量的另一選擇 ─ Solder preforms (預成型錫片)

訪客留言內容(Comments)

名詞弄錯了,,盲孔位置應該是埋孔

Ricky;
謝謝提醒,改過來囉!
再幫忙檢查一下。

上次我司請外部LAYOUT,在MODULE下的VDD做這樣的動作,整個就是很頭痛…REWORK很難,也無法先用錫球塞,過REFLOW的時候,整個錫都流掉了

請PCB廠用塞孔方式處理吧!不過成本會增加。
PCB layout 不是layout 得出來就可以了,有很多的玫玫角角,經驗及檢查清單很重要。

因為在DVT2階段發生,客戶又趕著要,先用堆屍體的方式…
後來就重新LAYOUT了

請教一下,關於QFN的接地散熱墊,該怎麼設計?via不能打到pad上,該如何設計比較良好?

Coleman;
應該說要吃錫的焊墊不可以有vias,所以說QFN的接地散熱墊上使可以有vias的,但是必須使用綠漆或其他方式把孔塞起來,文章中已經有照片可以參考了。

請問一下,接地散熱墊上有via,若是用綠漆,不會造成零件浮焊嗎?因為綠漆也有厚度,再者,接地散熱墊中間打via是為了什麼,增加散熱嗎?有什麼方式可以更加強接地散熱墊的散熱呢?謝謝

Ming;
接地散熱墊上有via若是蓋綠漆的確會加高,但焊錫的厚度肯定比綠漆的厚度來得多,所以不用擔心這個問題,否則很多BGA或QFN零件的焊腳早就死一堆了。
接地散熱墊中間打via也是為了散熱,因為大地通常不在第一層線路。
有什麼方式可以更加強接地散熱墊的散熱呢?最前最好的方式是使用焊錫,當然加風扇或冷煤的效果可能會更好,如果可以的話。

請問B及D是何種PCB製程? 如何能打VIA又只填表面?

B:盲孔
D:埋孔
更多參考資訊可以看這裡 http://www.researchmfg.com/2011/07/pth-blind-hole-buried-hole/

請問如您圖面所示,當bga via in pad 設計,板廠做出來有pad凹陷情況,dimple約落在30um , 這種情況有辦法使用嗎? 目前生產發生異常情況大概如您上文(C)所示

Jay;
就如同文章中提到的,並不是不能用,而是用了會有一些後遺症,我的做法是先把醜話講在前面,告訴客戶或是RD會有這些可能的問題,如果還是堅持,就做吧!當然到時候免不了要做不良分析切片就是了。

請問dimple深度在哪份規範有明確定義?

Chun;
以我目前的認知,沒有看到有規格定義,原則上dimple不可以造成氣泡產生。

請教最後修改的圖片三,請問通孔改成只剩一個,散熱效果會變差嗎?

Denny,
這個要請貴公司的RD自己測試看看散熱效果是否符合需求。
不過一般台灣的工程師都不會做這方面的研究,我們家的也沒做,反正所有的測試都沒問題就好了。
實際做個產品來比較看看就知道了。


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