BGA虛焊NWO(Non-Wet-Open)形成的原因及可能解決方法

BGA-Non-Wet-Open

最近常有網友詢問BGA封裝IC碰到NWO問題該如何處理?其實一般的NWO(Non Wet Open)幾乎都發生在BGA封裝IC的邊緣及角落,而其原因也大多是因為BGA的載板(substrate)或PCB流經回焊(reflow)爐時板子材料不耐高溫變形所致,其現象的具體呈現其實與HIP(Head-In-Pillow,枕頭效應) 也極為類似。

這NWO(Non Wet Open)發生的可能原因有很多,比如說板材變形、焊墊/焊盤氧化、溫度熱能未達到融錫要求、防焊印刷偏移…等,不過有80%以上的問題幾乎都來自於板材變形。

另外,從NWO發生的現象觀察,其不良現象或許有機會可以使用X-Ray檢查出來,因為印刷在NWO焊墊上的錫膏經過回焊後幾乎全被BGA的錫球給吸走了,照這種邏輯來推論,那麼發生NWO位置的錫球應該會比其他正常的錫球來得大才對,所以有機會用X-Ray檢查出來。







NWO發生原因:板材變形

電路板在流經回焊爐的恆溫浸泡區(soak zone)時,電路板會因為受熱而開始慢慢地彎曲變形,因為一般電路板大概只會選用Tg>150(Tg為玻璃轉換溫度)左右的板材來節省成本,隨著回焊爐內的溫度越來越高,電路板的變形會越來越嚴重,另外,板材厚度越薄及所負載的零件重量越重時,其變形量也會越加明顯。

有些原本焊接在PCB焊墊上的錫膏會黏在BGA的錫球上,隨著溫度漸漸升高,BGA的錫球與電路板間空隙越來越大,錫膏會漸漸地被帶往錫球的方向,到最後全部黏在BGA的錫球上,當爐溫到達融錫溫度時,BGA的錫球與電路板焊墊間的空隙也來到了最大,也就是說當錫球與錫膏完全熔融時並未接觸到電路板的焊墊,直到回焊爐的溫度再次回到焊錫的熔點前都未能接觸到焊墊。

當回焊爐開始降溫到低於焊錫的熔點之後,電路板也逐漸從彎曲變形中慢慢恢復到原始狀態(事實上有些狀況根本回不來),但這時候所有沾附在BGA錫球上的錫膏早都已經與錫球融為了一體,冷卻後再與焊墊接觸時就只會像公車站般靠在電路板的焊墊上而已,兩者並未焊接在一起,當板子因為某些情況再發生稍微變形,就會形成開路,這大概就是電路板焊墊上無錫NWO的現象。

上圖將NWO(Non-Wet-Open)與HIP(Head-In-Pillow)或HoP(Head-of-Pillow)在SMT的Reflow溫度曲線下形成的原因稍微做了解釋,基板上兩者都是因為板材變形所致,只是HIP的錫膏留在電路板的焊墊上,但NWO則完全轉移到了錫球。

上圖將NWO(Non-Wet-Open)與HIP(Head-In-Pillow)或HoP(Head-of-Pillow)在SMT的Reflow溫度曲線下形成的原因稍微做了解釋,基本上兩者都是因為板材變形所致,只是HIP的錫膏會保留在電路板的焊墊上,但NWO則完全轉移到了錫球。

解決方法:其實不論你想解決HIP或NWO,其方法不外乎降低板彎板翹的發生率與增加BGA焊墊的錫膏量兩種。目前雖然有對策但卻仍無法100%解決,或是投資與收穫不成正比,所以得自己判斷如如才是最有效降低其不良率的方法。

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NWO發生原因:焊墊/焊盤氧化

依據上面的解說,其實NWO的現象就是焊墊上沒有吃錫,所以,如果有焊墊/焊盤出現氧化,就算板子沒有因為溫度而變形也會造成同樣的現象Non-Wet現象。

解決方法:如果是焊墊氧化,當然就得處理PCB囉!

NWO發生原因:焊墊溫度熱能未達到融錫要求

另外一個造成NWO的原因是焊墊的溫度無法有效達到融錫的要求,這種現象通常發生在BGA中間的錫球部份,或是連接有大片銅箔的接地焊墊。

  • BGA中間的位置,尤其錫球顆數較多的大型BGA封裝,其底下焊墊的升溫因為受到本體的阻隔,所以受熱昇溫會從最外圍的焊墊開始往內延伸,如果回焊溫度曲線調整的不好,就有可能造成BGA中間區域的焊墊未受熱完全就開始降溫,以致形成NWO的情形。
  • 焊墊連接大面積基地銅箔會拉低焊墊溫度上升的速度,因為大部分的熱能都被接地銅箔給吸走了,當其他焊墊已經達到了融錫的溫度時,這些連接了大面積銅箔的焊墊卻還未達能到該有的溫度,於是焊墊上的錫膏就會被BGA上溫度比較高的錫球給搶走,一旦回焊爐的溫度開始下降,就會形成NWO的現象。

解決方法:一般的建議會先調整回焊爐溫的曲線以得到最佳化,這樣也是最便宜的方法,可以考慮增加恆溫浸泡區(soak zone)的時間,讓所有的焊墊都可以達到一定的溫度後才進入回焊區(reflow zone)。

另外,對於連接到大面積銅箔的焊墊建議要變更佈線增加【熱阻焊墊/限熱焊墊(thermal relief)】的設計,以求有效降低大部分熱能被大面積銅箔吸走的機會。

更多閱讀:回流焊的溫度曲線 Reflow Profile


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