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為什麼SMT工程師不喜歡有雙面BGA的PCB設計？BGA各種孔洞的型態與可能原因(microvoids, shrinkage voids, pinhole voids)
一般來說只要有在SMT生產打滾過的工程師，他們大多不喜歡生產有雙面BGA設計的PCB，因為板子上有BGA的存在本身就已經不太容易生產了，而雙面都有BGA設計的板子又比只有單面BGA設計的PCB更容易產生不良品。
有不良品就意謂著有無窮無盡的改善得做，而且BGA重工通常費時又費勁，重工後還不一定就可用，你說有那個SMT工程師犯傻了。
那為什麼雙面BGA的PCB較容易出現不良品呢？
正常情況BGA零件通常會被安排在第二面才過reflow，這是為了避免第一面reflow的缺點在第二面reflow時被放大，這些缺點包含BGA焊球孔洞(void)比率增加、HIP/HoP或NWO空假焊比率增加、焊點脆化、BGA零件掉落等主要問題，次要問題是雙面BGA的板子維修不易。
二次回焊後BGA焊球孔洞(void)比率增加
一般認為是這因為二次回焊時，BGA錫球可能重新熔融，讓原本散布於BGA內的許多細小孔洞(micro-void)有機會重新聚集成為一個較大的孔洞(void)，當錫球的Void越大，就表示錫球的可靠性越差，IPC-7095內有規定孔洞不得大於一定的百分比，因為一旦產品受到落下、振動等外力影響時有孔洞的錫球斷裂機率就越高。
BGA錫球的孔洞(void)可不僅僅是那些肉眼可以看到的而已，有專家針對BGA錫球的孔洞分成了下列幾類：
Marco Voids：就是錫球中比較大的孔洞，一般為錫膏中助焊劑揮發的氣體所形成，錫膏中真正用作焊錫的錫粉其實只佔了50%的體積，剩下的50%為助焊劑。錫球越大則可能形成的孔洞就越多。
想多了解錫膏與助焊劑可以參考這篇文章《介紹並認識【錫膏(solder paste)】的基本知識(含助焊劑)》。Planar Micro-voids：
一般出現於SMD(Solder-Mask-Defined)的板子，因為錫膏有機會印刷於防焊層，防焊層與焊墊之間的高度差與防焊表面粗糙度所形成的孔洞。
這種平面微孔洞(planar micro-voids)經常出現在焊點和PCB的銅箔層之間，其主要原因為PCB的表面處理(surface finishes)不夠細緻，在表面處理與銅箔之間留下了一些微小的孔洞(cave)，於回流焊的高溫過程中小洞內的空氣被加熱膨脹撐大以致形成空洞。這種空洞最常出現在ImAg表面處理的板子上。Shrinkage Voids：縮收裂紋孔洞。錫球外壁在冷卻過程中所形成的晶枝狀(dendritic)小裂紋，一般容易出現在SAC的錫球或焊點表面。shrinkage voids發生的原因一般都指向冷卻速率過慢所導致。大致成因為焊點的緩慢冷卻最終導致焊錫在凝固前的共晶(eutectic)相待得久導致過度收縮。也就是焊錫從液態冷卻轉變為固態時在在熔點區待得過久，造成焊料過度收縮表面出現裂紋。
Micro-Via Voids：通常是在via-in-pad的焊墊/焊盤上所形成的孔洞，特別是半盲孔，因為錫膏印上去時將空氣限縮在半盲孔中。
另外，即使via有填孔，但是填孔後的dimple太大也會形成氣孔。
曾經看過文獻說使用樹脂填孔後鍍銅的via-in-pad，因為其填孔密實度可能存在縫隙，再加上如果鍍銅太薄或存在微小破孔，在回焊的過程中就可能將填孔縫隙中的空氣給逼進錫球中密封。InterMetallic Micro-voids：IMC層長時間或多次熱循環後老化形成於IMC附近的孔洞。
Pinhole Micro-voids：這類孔洞一般出現在IMC層，可能原因為電路板上金屬層原本的細小孔洞所形成。
相關閱讀：
紅墨水染紅測試分析(Dye Test)的允收標準
何謂IMC (Intermetallic Compound)？IMC與PCB焊接強度有何關係？目前應該是無法完全避免BGA錫球孔洞(voids)的發生，不過可以在回焊爐內加氮氣(N2)來增加焊錫的潤濕性並降低錫球孔洞的發生率。
二次回焊後，焊點脆化，承受落摔能力變差
這個應該是屬於信賴度的問題，而且屬於不可逆的反應，更甚的這一般在製造工廠是測試不出來的。
這是因為每經過一次Reflow就是對焊錫的再一次加熱，而每一次的加熱都會讓IMC層變得更厚，也就是老化，銅基地的IMC (InterMetallic Compound) 還會從原本的良性Cu6Sn5轉變為劣性的Cu3Sn。不論是哪種金屬基地的PCB，當IMC變得越來越厚，就表示焊錫變得越脆，也越無法承受落下時的衝擊力。
可以把IMC想像成磚塊間的水泥，不同的磚塊分屬不同的金屬，其間必須形成類似水泥的IMC才能互相連接在一起，如果水泥層越厚（IMC層越厚），當磚塊承受到推拉應力時，就越容易從水泥層斷裂，在焊接中就是IMC層。
想進一步了解IMC請參考【PCB焊接強度與IMC觀念】一文。
BGA零件於第二面回焊時掉落的風險
正常情況下打在第一面的BGA零件應該不至於在第二面過爐時掉落於回焊爐內的，工作熊公司的產品有貼過ARM CPU也沒有掉過件，不過如果有重量比較重的BGA就難說了。
不過看網路上偶而還是會有網友提問BGA掉件問題，如果看文的朋友有實際發生的案例可以提出來一起討論。
如果無法避免雙面BGA的設計出現，那有沒有什麼比較好的建議可以降低其風險呢？
老實說工作熊還未發現有這方面的工業標準，不過根據以上篇幅說明雙面BGA的缺點，工作熊有以下的建議：
- 盡可能少放BGA零件於第一面reflow。
- 將比較重要的BGA零件（如CPU）設置在第二面Reflow。
延伸閱讀：
電路板上常見的焊錫缺點中英文對照與解釋
整理SMT回流焊接缺點、可能原因及其對策
電路板上為何要有孔洞？何謂PTH/NPTH/vias(導通孔)
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訪客留言內容（Comments）
工作熊，想請教一下planar micro void 形成的主要原因及如何解決？目前做產品的確在SMD有觀察到但是不理解具體原因。謝謝！
“因為錫膏有機會印刷於防焊層，防焊層與焊墊之間的高度差與防焊表面粗糙度所形成的孔洞。”
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可以使用載具..將第一面的BGA 向下放置 但載具要封 這熱量會比較少
另外POP的千萬不可放在第一面生產